Способ диагностики поршневого двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления - RU2082139C1

Чертежи

Описание

Изобретение может быть использовано при технической диагностике поршневых многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания для определения крутящих моментов или мощностей, развиваемых отдельными цилиндрами.

Известен способ диагностики двигателей внутреннего сгорания, в соответствии с которым крутящие моменты, развиваемые отдельными цилиндрами, определяют путем сравнения значений энергии, накапливаемой двигателем при различных угловых положениях коленчатого вала (см. патент США N 4292670).

Недостатком данного способа является то, что при определении значений энергии принимают эквивалентный момент инерции двигателя постоянным, не зависящим от углового положения коленчатого вала. Способ и устройство по патенту США N 429670 приняты за прототип.

Известны также способы и устройства диагностики используемые в основном при разработке новых ДВС или их узлов.

Недостаток таких устройств и способов состоит в том, что оценка мощностей или крутящих моментов, создаваемых отдельными цилиндрами, требует каждый раз измерять давление газа в отдельных цилиндрах, а это давление газа может меняться во времени или в зависимости от угла поворота коленчатого вала, в связи с чем связано с конструктивными величинами ДВС, и его нужно пересчитывать для получения искомой величины мощности или крутящего момента. Эти измерения давления газа требуют высоких конструктивных или монтажных затрат и могут проводится лишь в редчайших случаях для периодического контроля или испытания уже эксплуатируемых ДВС, поскольку, как правило, необходимо предусмотреть инспекционные отверстия для чувствительных элементов датчиков, что в целом противоречит серийному использованию такого диагностического контроля.

Задача заявляемого решения состоит в таком усовершенствовании способа или устройства, которое исключало бы названные недостатки и позволяло бы проводить оценку мощности или крутящего момента отдельного цилиндра наиболее просто и тем не менее достоверно и с малыми затратами. Такую оценку нужно выполнять без создания дополнительных инспекционных отверстий в цилиндрах ДВС, благодаря чему появляется возможностью проводить даже стандартные исследования на серийных двигателях.

Способ диагностики вышеописанного типа состоит для достижения этой цели из следующих операций при определенных угловых положениях коленчатого вала:
а/ не менее чем на одной детали ДВС непрерывно измеряют соответствующее число оборотов или угловую скорость;
б/ по конструктивным данным ДВС определяют эквивалентный момент инерции 1/α/, зависящий от угла поворота коленчатого вала, учитывающий влияние колеблющихся масс;
в/ по формуле E_общ E_кин + E_пот вычисляют ту общую энергию, которая накоплена в ДВС, причем E_кин определяют по формуле

и,
г/ сравнив общие энергии в характерных для отдельных цилиндров диапазонах углов поворота коленчатого вала, определяют крутящие моменты или мощности отдельных цилиндров.

Заявляемое устройство для диагностики ДВС в соответствии с этим образовано так, что измерительная схема содержит измерительный блок для непрерывного измерения числа оборотов или угловой скорости ДВС, а также соединенный с ним блок координации для приведения результатов измерений в соответствие с определенными угловыми положениями коленчатого вала ДВС, схема оценки (вычислительный блок) содержит блок памяти, в котором содержится соответствующее определенным угловым положениям коленчатого вала эквивалентное значение момента 1 /α/ ДВС, и логический блок, в котором определяется соответствующая общая энергия ДВС, в схеме оценки имеется блок сравнения, в котором по результатам сравнения этих общих энергий в участках углов поворота коленчатого вала, относящихся к каждому цилиндру, определяют крутящие моменты или мощности отдельных цилиндров. При этом 1/a/ определяется на основании параметров двигателя, которые вводятся и при определенных условиях подвергаются промежуточному запоминанию.

Этот "блок памяти" для 1/a/ содержит также решения, позволяющие согласно блок-схеме заявляемого устройства, показанной на фиг. 6, осуществить другие возможности приема или ввода сигналов, с помощью которых, например, 1/a/ определяется в предыдущем логическом блоке. Через блок ввода 1 можно вводить характерные для двигателя данные, особенно значения I₀, z, r, m_кол, а также p_i(n) для определения p_r в ходе эксплуатации двигателя (подробнее будет описано ниже).

В схеме оценки 2 по всем этим данным определяется 1/a/ и вводится в не описываемый подробно блок памяти для промежуточного запоминания не менее чем на один период. Для заявляемого способа к датчикам необходимо только подключить измерительный блок 3 для непрерывного измерения числа оборотов или угловой скорости ДВС, а также блок 4 (например, клеммный датчик или датчик сигнала вторичного напряжения системы зажигания) для распознавания цикла в целях упорядочения результатов измерений блока 3. Датчик маркерного сигнала обозначен на фиг. 6 позицией 5. Там же приведены датчик температуры масла 6 и датчик температуры воды 7, которые важны для описываемой ниже оценки трения. Датчик температуры отработавших газов 8 и датчик перемещения 9 для положения дозатора топлива предназначены для приблизительного или точного определения средней нагрузки, с которой работает в данный момент исследуемый ДВС.

Наконец общей позицией 10 на фиг. 6 обозначены другие возможные датчики для определения возможного изменения угловой скорости в других точках фазы работы двигателя, что необходимо для определения или учета потенциальной энергии.

В сочетании со всеми перечисленными измерительными блоками или датчиками схемы оценки 2 находятся блоки 11 для предварительной обработки сигналов; блоки вывода данных, подключенные к схеме оценки 2, такие как дисплей, блок печати, носитель информации, интерфейсы и т.п. имеют общее обозначение 12.

Таким образом, изобретение исходит из того, что для определения крутящего момента или мощности, развиваемых каждым цилиндром, необходимо измерять только соответствующее для определенных динамических условий на коленчатом валу ДВС число оборотов или угловую скорость в зависимости от углового положения коленчатого вала ДВС и с их помощью логически использовать опять-таки связанный с углом поворота коленчатого вала соответствующий общий момент инерции для установления общей накопительной в двигателе кинетической энергии. В зонах угловых положений коленчатого вала, характерных для определения цилиндров, общая энергия, задаваемая углом поворота коленчатого вала, может быть однозначно соотнесена с отдельными цилиндрами, благодаря чему по соответствующему сравнению можно установить характеристики отдельных цилиндров.

По постоянным, характерным для двигателя величинам можно при этом определить только момент инерции всех вращающихся деталей двигателя (приведенный к числу оборотов коленчатого вала), параметры шатуна (длину и ход), а также сумму колеблющихся масс, приходящуюся на цилиндр. В принципе заявляемые способ и устройство рассчитаны на оценку работы отдельных цилиндров с полной нагрузкой (ускорение при полностью открытой дроссельной заслонке в определенном диапазоне числа оборотов, предпочтительно хотя и не обязательно без внешней нагрузки на ДВС); в силу высокой точности (особенно в диапазоне низкого числа оборотов) можно проводить также диагностику различий между цилиндрами на холостом ходу. Кроме того, принципиально возможно также определение момента механических потерь в ходе эксплуатации двигателя или изменение внутреннего крутящего момента отдельного цилиндра при работе с полной нагрузкой.

В принципе это значит, что эффективные изменения крутящего момента отдельного цилиндра создаются увеличением накопленной кинетической энергии благодаря работе цилиндра. Если рассматривать ДВС в целом как механическую открытую систему, можно установить следующий энергетический баланс:
D(E_кин+E_пот)+W_нагр= W_i-W_f Ур.1a
или для двигателя без нагрузки
Δ(E_кин+E_пот) = W_i-W_f, где Ур.б
W_i механическая работа давления газа;
W_f механическая работа момента потерь;
W_нагр отдаваемая наружу механическая работа (в двигателе, работающем без нагрузки, W_нагр 0);
E_кин кинетическая энергия, накопленная внутри двигателя, зависит от ω и α.;
E_пот потенциальная энергия, накопленная внутри двигателя.

Из-за кручения или растяжения тоже происходит кратковременное накопление энергии в элементах двигателя. Эта составляющая обусловливает изменение ω только при повышенных оборотах. Сюда же нужно отнести энергию, которая накапливается от уровня расположения колеблющихся масс.

Эти уравнения справедливы при любом угле рассогласования.

В ДВС обычно определяют W_i или W_f за один цикл м соотносят с рабочим объемом цилиндра:
для одноцилиндрового двигателя при интервале угла поворота коленчатого вала 720^o можно записать уравнение 1 в упрощенном виде:
P_e P_i P_f, Ур. 1в
где P_e эффективное среднее давление;

Vh рабочий объем цилиндра;
P_газ изменение давления газа в камере сгорания цилиндра (обычно измеряется датчиками давления, установленными в особых инспекционных отверстиях);

Mf крутящий момент всех механических потерь на трение в двигателе при его действии на маховик;
a угловое положение коленчатого вала.

Эти значения справедливы для одного цилиндра. Вся энергия, накопленная в двигателе, однако, зависит от влияния всех цилиндров, хотя и занимающих различное положение в процессе.

Для 4-цилиндрового рядного двигателя в 4-тактном цикле различие накопленной энергии находится поэтому в пределах Da 720/4 180^o поворота коленчатого вала. Здесь создаются "смешанные средние давления", на которые, в принципе, влияют все цилиндры, но главным образом те, которые находятся в решающем участке контура высокого давления. Эти "смешанные средние давления" обозначаются звездочкой (индекс j обозначает рассматриваемый цилиндр):

Pi = Pe +Pf Ур.3а
Можно вывести эксплуатационную характеристику и из изменения энергетического уровня, поскольку при определенных условиях она точно соответствует (см. ниже) "эффективному среднему давлению" или с учетом трения в двигателе "внутреннему среднему давлению" определенного цилиндра.

Проведенные эксперименты показали, что влиянием крутильных колебаний (E_пот) можно пренебречь при определении изменения уровня энергии, причем только при повышенных оборотах возникают заметные отклонения от определенных кварцевыми приемниками давления опорных значений. В этом случае

При метрологическом методе "оценки энергетического уровня" на первом этапе измеряют ω в том месте, где наиболее возможна концентрация момента инерции двигателя, предпочтительно на маховике. Дополнительно, преимущественно по сигналу давления во впрыскивающем трубопроводе или по сигналу вторичного напряжения системы зажигания с собственного блока оценки определяют цилиндр, в котором происходит воспламенение. Точное соответствие между изменением w и угла a выполняется преимущественно с помощью маркерного сигнала. Далее изменение w, непосредственно рассчитываемое по данным измерений, предпочтительно сглаживают. При отсутствии маркерного сигнала можно соотносить угол поворота a коленчатого вала с изменением w, руководствуясь относительными минимумами в характеристике w. На холостом ходу эти минимумы всегда располагаются в непосредственной близости к верхней мертвой точке.

С помощью этой информации можно учитывать кинетическую энергию колеблющихся масс и вычислять изменения энергетического уровня.

Из семи основных методов формирования разностной информации были выбраны те, в которых можно достигнуть лучшего соответствия между Pe и соответствующим Pe_j, например, определенным с помощью кварцевых приемников давления.

Определение числа оборотов предпочтительно выполняется посредством зубьев зубчатого венца, используемых в качестве угловых меток. Угловая скорость при этом вычисляется по выражению

, где Δα равна, например, 3,33^o в случае 108 зубьев; Dt временная разность между двумя зубьями.

Блок сбора данных производит интерполяцию в пределах этих угловых шагов еще, например, до углового разрешения, составляющего 1^o.

Зубчатый венец маховика обладает, однако, определенными производственными допусками, а измерение времени проводится дискретными шагами (например, целыми микросекундами). Поэтому картина изменения ω обычно представляет высокочастотное заполнение.

На фиг. 1 показан пример изменения w за угол a поворота коленчатого вала, представленный непосредственно по снятым данным замеров, в сравнении с картиной изменения w (1А при числе оборотов 770/мин, 1В при 3740 об/мин), вычисленной по давлению газа в цилиндрах, записанному обычным путем. После сглаживания, например, посредством формирования среднего значения (± 5 точек) получается намного более благоприятная картина. После второго сглаживания такого же типа можно получить характеристику w пригодную для оценки с помощью "алгоритма уровня энергии" (см. фиг. 2, где 2А опять получен для 770 об/мин, 2В для 3740 об/мин).

Из характеристики изменения w можно определить теперь на холостом ходу угловое положение верхних мертвых точек. В конкретном ДВС относительный минимум характеристики w всегда располагался в лучшем случае в пределах 1^o поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки.

Даже в худшем случае этот минимум находился в пределах +1.+4^o поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки, хотя цилиндр 3 работал уже примерно с 33% полной нагрузки, а цилиндр 4 работал вхолостую, и больше нельзя говорить о холостом ходе вообще. При этом соответствующий блок обработки может распознавать положение верхней мертвой точки даже на холостом ходу. В ходе фактических замеров положение верхней мертвой точки определялось с помощью маркировочного импульса. Если известно положение верхней мертвой точки одного цилиндра (обычным образом), можно рассчитать накопленную в двигателе кинетическую энергию. При этом учет колеблющихся масс осуществляется путем введения зависящего от угла эквивалентного момента инерции, учитывающего влияние колеблющихся масс. В общем случае для поршневого двигателя с n цилиндров
I(α)=Ι_ο+I_кол (α), где
где I₀ момент инерции всех вращающихся деталей двигателя;
I_кол мнимая доля момента инерции для учета колеблющихся масс.

При условии

или для j-го цилиндра





Для поршневого двигателя с n цилиндрами сумма всех колеблющихся масс с учетом соответствующего фазового положения коленчатого вала α_j

где m_кол колеблющаяся масса в каждом цилиндре;
r половинный ход;
l длина штока;
;
α_j угол поворота коленвала на j-м цилиндре.

На фиг. 3 показан в качестве примера график изменения момента инерции 1/(α)/ конкретного ДВС в зависимости от изменения угла поворота α коленчатого вала. Оно не зависит от числа оборотов.

Изменение энергетического уровня определяется по формуле

На фиг. 4 показан пример графика изменения уровня энергии по сравнению с измеряемыми обычным способом изменениями давления P в цилиндре опять-таки при пониженном (фиг. 4A) и повышенном (4B) числе оборотов. Работу отдельных цилиндров можно определять по различным характеристикам уровня энергии.

При этом формирование разности может выполняться принципиально семью различными путями:
1. рассмотрение максимумов:
1а. разность между двумя последовательными относительными максимумами,
1б. разность между одним максимумом и значением уровня энергии, расположенным на 180^o ранее,
1в. разность между одним максимумом и значением уровня энергии, расположенным на 180^o позже,
2. рассмотрение минимумов:
2а. разность между двумя последовательными относительными минимумами,
2б. разность между одним минимумом и значением энергетического уровня, расположенным на 180^o ранее,
2в. разность между одним минимумом и значением уровня энергии, расположенным на 180^o позже,
3. сравнение значений уровня энергии в верхних мертвых точках.

В то время как методы 1а-1в дали явно менее точные результаты, методы 2а-2в и 3 обладают примерно одинаковой точностью. Наилучшее соответствие достигается методом 2б.

Упомянутые "смешанные средние давления" P или P можно представить следующим образом.

Во время определения крутящего момента отдельного цилиндра, например цилиндра 1, остальные цилиндры 4-цилиндрового рядного двигателя (последовательность зажигания 1, 2, 4, 3) находятся в следующем положении:
сжатие цилиндр 2,
расширение цилиндр 1,
выталкивание цилиндр 3,
всасывание цилиндр 4.

Все изменения давлений сообща влияют на вращение маховика.

Измеренные изменения давлений цилиндра для этого примера представлены на фиг. 5 в виде диаграммы давление объем. Пунктиром показано изменение давления для общего цикла цилиндра 1. Область от S1 до Е1 означает начало и конец воздействия давления газа в цилиндре 1, область от S2 до Е2 начало и конец воздействия давления газа в цилиндре 2, от S4 до Е4 начало и конец воздействия давления газа в цилиндре 4 и от S3 до Е3 начало и конец воздействия давления газа в цилиндре 3. Буквой A обозначен ход расширения цилиндра 1, буквой B ход сжатия в цилиндре 2, буквой C ход выпуска цилиндра 3 и буквой D ход впуска в цилиндре 4.

Можно видеть, что показанный пунктиром график для цилиндра 1 точно соответствует при газообмене соответствующим участкам графика для цилиндров 2, 3 и 4, за исключением мелких отклонений. Если бы они были абсолютно идентичны, значение P было равно P_i. Поэтому при рассматриваемом определении крутящего момента для каждого цилиндра с помощью метода уровня энергии исходили в соответствии с изобретением из того, что характеристика давления сжатия для всех цилиндров аналогична и что при газообмене не существует значительных различий между отдельными цилиндрами.

Этот так называемый метод уровня энергии позволяет также определить при выбеге двигателя эффективное смешанное среднее давление (Pe^*) каждого отдельного цилиндра в каждом цикле двигателя:
P = P-P Ур.3а
При выбеге двигателя P отрицательно и составляется в основном из потерь при газообмене и тепловых потерь на стенках во время высокого давления. В ходе определения трения двигателя можно определить P для каждого цилиндра в форме точного соответствия определенному цилиндру в зависимости от числа оборотов двигателя и его температуры. С помощью этой информации можно определить изменение среднего давления трения P при останове двигателя для двигателя в целом.

Метод уровня энергии позволяет принципиально получить значение P или M. Если в ходе остановки двигателя P или M определено в зависимости от числа оборотов, то при последующем форсированном режиме работы или на холостом ходу можно вычислить P или M:
M= M+M Ур.3б
При этом снова пренебрегают зависимостью нагрузки от M_f, что в большинстве случаев допустимо. С помощью M можно затем оценить, например, количество впрыскиваемого топлива или влияние трения в двигателе.

По изменению уровня энергии можно также образовать разность, представляющую часть работы сжатия или составляющую работу расширения цилиндра (например, фиг. 4A, амплитуда A). Если не происходит сгорания, то при выбеге двигателя по инерции эту меру можно с успехом использовать для сравнения сжатия в цилиндрах. Даже в случае сгорания можно по амплитуде B (фиг.4A) непрерывно проверять, выполняется ли условие более равномерного сжатия.

Все сказанное до этого относится, в принципе, к ДВС, работающим без нагрузки. В ур. 1а, однако, уже учтен случай ДВС, работающего под нагрузкой с W_нагр. Измерения на нагруженных двигателях подтвердили, что характеристики ω показаны в соответствующей форме. Долю сжатия, крутящего момента или мощности, приходящуюся на один цилиндр, можно определить таким же образом. Если, кроме этого, аппроксимируют среднюю нагрузку двигателя, например, по температуре отходящих газов или по положению педали акселератора в сочетании с числом оборотов и соответствующей характеристикой двигателя, снятой в свое время на испытательном стенде, то можно точно определить эффективный крутящий момент отдельного цилиндра или эффективную мощность отдельного цилиндра:

При этом в E_кин, конечно, нужно учитывать кинетическую энергию всей приводной цепочки.

Потенциальную накопленную энергию можно учесть следующим образом:

В E_пот учитывают сумму E_потh (обусловленную различным уровнем расположения колеблющихся масс) и E_потc (еще не учитывающую энергию пружинного аккумулятора в упругих элементах двигателя):
E_пот E_потh + E_потc. Ур.7
Если доля уровня расположения колеблющихся масс существенна, то для поршневого двигателя с n цилиндрами в методе уровней энергии необходимо рассчитать

h_j геодезическая высота центра тяжести колеблющихся масс в цилиндре j.

Учет крутильных колебаний в ДВС или во всей приводной цепочке происходит предпочтительно путем разделения зависящего от угла момента инерции двигателя на от двух до бесконечного количества (n) частичных представительных моментов инерции, причем на каждом из этих мест k измеряют изменения ω(t) (при этом изменяется и E_кин).

Коэффициенты жесткости упругих, принимаемых как не имеющие массы соединительных элементов должны быть известны для того, чтобы можно было полностью определить энергетический уровень.

Нельзя устанавливать затухания, поскольку соответствующие потери засчитываются в потери на трение и не относятся к уровню накопленной энергии.

Условие упругости

;
;
.

В дополнение к вышеописанному известному определению внутреннего крутящего момента отдельного цилиндра для проверки заявляемого способа головку каждого цилиндра снабжали кварцевым приемником давления, определяющим изменение давления газа. Угловые сигналы для измерения ω создавались индуктивным датчиком, который был установлен примерно на расстоянии 2 мм над окружностью головок зубьев венца. Для вычисления индикаторных средних давлений измеренные давления нужно как можно точнее соотносить с угловым положением верхней мертвой точки при сжатии. Погрешность в 1^o дает при этом ошибку P_i порядка 10% Поэтому вторым индуктивным датчиком принимается также сигнал о верхней мертвой точке или сигнал с метки. Этот сигнал выдается при прохождении металлической пластинки, установленной на маховике. Предусмотрена возможность регулировки положения этой пластинки по продолговатым пазам.

Точное положение верхней мертвой точки при сжатии дополнительно определяли с помощью емкостного датчика верхней мертвой точки, после чего регулировали положение пластинки. Точность этого емкостного датчика верхней мертвой точки выше ± 0,1^o угла поворота коленвала.

Кварцевые приемники давления были подключены посредством четырех отдельных зарядовых усилителей к быстродействующему блоку обработки данных. Сигналы напряжения (± 10 В) индуктивных датчиков числа оборотов тоже принимались на этот блок.

Весь массив полученных данных измерений обрабатывался затем на PC/AT-386.

Если сравнить установленное угловое ускорение при обычном форсированном режиме с полной нагрузкой и угловое ускорение второго форсированного режима, при котором на маховике установлена дополнительная вращающаяся масса, то из уравнения

можно вычислить момент инерции I₀ двигателя:
,
где I₁ известный момент инерции дополнительной вращающейся массы;
M_e эффективный крутящий момент всех цилиндров двигателя.

С помощью статистических методов можно, повторив несколько раз (например, пять) это измерение, указать также диапазон, в котором находится истинный момент инерции двигателя с 95%-ной точностью.

Возможная погрешность этого метода состоит при этом, однако, в том допущении, что крутящий момент двигателя как при быстром, так и при замедленном (с дополнительной вращающейся массой) разгоне имеет одну и ту же зависимость от числа оборотов. Несмотря на механическую блокировку регулирующих элементов топливного насоса высокого давления, зависящего от напора (муфта опережения впрыскивания и регулятор расхода по внешней скоростной характеристике), крутящий момент при замедленном разгоне, вероятно, несколько больше.

Поэтому была выбрана следующая методика. Момент инерции и доверительную область определяли с тремя разными дополнительными вращающимися массами. Зависимость результатов от размера дополнительной массы экстраполировали по регрессионным прямым на величину дополнительной массы, равную 0. В соответствии с этим момент инерции рассматриваемого здесь в качестве примера двигателя со всеми вращающимися массами уменьшенный на число оборотов коленчатого вала и без сцепления составил с 95%-ной вероятностью от 0,293 до 0,3257 кгм². Среднее значение составляет 0, 3087 кгм².

Это среднее значение оказалось при моделировании ω слишком низким: расчетное изменение w значительно превышало измеренное.

С величиной I 0, 3155 кгм² получили для расчетного изменения w то же среднее угловое ускорение, как для измеренного.

Для моделирования работы с ошибкой в топливопровод высокого давления, ведущий в форсунке цилиндра 4, было встроено ответвление. К этому ответвлению была подключена вторая форсунка.

Благодаря смещению давления начала впрыскивания этой форсунки оказалось возможным изменить количество впрыскиваемого топлива и тем самым мощность, развиваемую цилиндром 4.

Реферат

Сущность изобретения: для определения мощностей отдельных цилиндров двигателя внутреннего сгорания при определенных угловых положениях коленчатого вала измеряют значения угловой скорости вращения двигателя, по конструктивным данным двигателя определяют соответствующие значения общего момента инерции и по полученным данным определяют общую энергию двигателя. По результатам сравнения значений энергии в характерных для отдельных цилиндров диапазонах угла поворота коленчатого вала можно составить суждение о работе отдельных цилиндров. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула