ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ КОСВЕННОГО ИНДИЦИРОВАНИЯ
Малышев В.С. , Корегин А.Ю. (СМФ, кафедра СЭУ, МГТУ)
АННОТАЦИЯ
Давление газов в цилиндрах двигателя является пожалуй наиболее информативным показателем, определяющим его техническое состояние, а также качество рабочего цикла. По этой причине наиболее распространенным методом диагностирования двигателей является метод параметрической диагностики, связанный с получением и обработкой индикаторных диаграмм в цилиндрах двигателя. Вместе с этим, большинство современных транспортных дизельных ДВС не оборудуются индикаторными кранами это делает крайне затруднительным осуществление прямого индицирования ДВС. Нами предложен и отработан метод косвенного индицирования, заключающийся в том, что индикаторная диаграмма получается путем измерения напряжений в крепеже крышки (головки) цилиндров.
ВВЕДЕНИЕ
Базовыми тенденциями современного дизелестроения остаются повышение топливной эффективности и эксплуатационной надежности двигателей, а также их экологическая безопасность, связанная главным образом с жесткими требованиями по эмиссии выпускных газов. Удовлетворить эти требования может использование микропроцессорных систем управления двигателем. Надежная и эффективная система может быть реализована при максимальной информативности датчиков параметров процесса. Наиболее информативным параметром пожалуй является давление газов в цилиндрах двигателя. Снимаемые индикаторные диаграммы позволяют определять цилиндровую мощность, показатели механической напряженности двигателя, а обработка и анализ дают возможность оценивать техническое состояние двигателя, качество его регулировки и даже экономичность. На индицировании цилиндров основано большинство методов диагностики ДВС.
Двигатели транспортного типа не оборудуются индикаторными кранами, современные дизельные ДВС с непосредственным впрыском не оборудуются и свечами накаливания. Эти обстоятельства делают невозможным осуществление прямого индицирования современных транспортных ДВС. По этой причине для получения информации о протекании рабочего процесса используют либо специальные миниатюрные датчики давления, либо косвенные методы индицирования. Так фирмой "Optrand" (США) разработаны миниатюрные тензодатчики, которые можно устанавливать в форсунку, свечу зажигания или накаливания. Датчик состоит из трех основных частей: чувствительного элемента, непосредственно подвергающегося давлению газов, гибкого соединительного проводника и оптоэлектронного модуля. Среди известных методов косвенного индицирования можно выделить следующие: использование сигналов неравномерности вращения коленчатого вала для оценки индикаторных диаграмм цилиндров ДВС; определение давления путем установки тензодатчиков на уплотнительную прокладку газового стыка; определение давление в цилиндре путем использования датчиков вибрации и установления соответствия между давлением в цилиндре и вибрацией стенок цилиндра.
Следует признать, что все названные способы косвенного индицирования носят пока скорее постановочный характер, они используются в виде отдельных экспериментальных проработок, имеющих ограниченную точность и достаточно узкую сферу использования. Такое положение дает право исследователям предлагать и разрабатывать новые методы и средства диагностирования ДВС.
МЕТОД КОСВЕННОГО ИНДИЦИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
Анализ сил, действующих в остове двигателя, показывает, что наиболее полно давление в цилиндрах двигателя передается через крышку (или головку) шпилькам или болтам ее крепления к блоку. Предложенный метод индицирования заключается в том, что под гайку или болт крепления крышки (или головки) цилиндров помещают стальную шайбу с закрепленными на ней тензорезисторами. Выходной сигнал от тензорезистора через усилитель передается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и обрабатывается в ЭВМ.
Данный метод был опробован на ряде двигателей. Наиболее полное исследование было проведено в процессе стендовых испытаний двигателя 3Ч17,5/24 (3NVD24). В ходе испытаний одновременно проводилось прямое индицирование с помощью электропневматического стробоскопического индикатора МАИ-2А, диагностического комплекса К-748/I, а также предлагаемым методом косвенного индицирования. Все измерения проводились на пяти режимах работы двигателя: Ne=0;0,25;0,5;0,75 и 1,0Neном. В данном случае индикаторные диаграммы, снятые с помощью индикатора МАИ-2А рассматривались как эталонные, а диаграммы, снятые методами прямого и косвенного индицирования сопоставлялись с ним и оценивалась их точность.
В настоящее время отработка устройства для косвенного индицирования двигателей осуществляется на экспериментальной установке на базе двигателя 6ЧН12/14 лаборатории ДВС МГТУ. У данного двигателя отсутствуют индикаторные краны, что не позволяет осуществлять его индицирование прямым методом. Поэтому для исследования метода косвенного индицирования, в конструкцию крышки цилиндров были внесены конструктивные изменения, позволившие произвести установку датчика давления газов. Вид полученных диаграмм представлен на рис.1.
Рис.1. Индикаторные диаграммы, полученные прямым (1)
и косвенным (2) методами
Анализ результатов испытаний позволил сделать следующие заключения:
- Среднее индикаторное давление косвенного метода несколько занижено по сравнению с давлением прямого метода, но максимальное значение не превышает 5%, при этом значение среднего индикаторного давления pi оказалось практически равным pi, полученному при обработке индикаторных диаграмм, снятых с помощью индикатора МАИ-2А. Это дает основание утверждать, что значение pi, полученное предлагаемым методом более реально отражает действительную картину.
- Жесткость работы двигателя (¶P/¶j), степень повышения давления l=Pz/Pc, а также значение максимального давления сгорания Pz при измерении косвенным методом также занижены по сравнению с методом прямого индицирования, но расхождения не превышают 5%.
- Косвенный метод индицирования оказался наиболее точным при определении моментов самовоспламенения топлива и моментов достижения максимального давления сгорания относительно ВМТ. Это, по-видимому, связано с тем, что система блок - крышка - шпилька является максимально жесткой и, следовательно, изменение давления в цилиндре моментально воспринимается датчиком. Прямое индицирование дает задержку в нашем случае примерно на 1° поворота коленчатого вала, что вызвано дросселированием в индикаторном канале.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, по результатам проведенных исследований на двигателях доказано, что предлагаемый метод косвенного индицирования уже в настоящее время является достаточно точным, а по ряду показателей и превосходящим методы прямого индицирования. Это делает возможным рекомендовать его для использования в системах централизованного контроля и диагностики, при проведении технического обслуживания и регулирования ДВС.
Его несомненными достоинствами являются: универсальность, т.е. возможность использования как в дизельных двигателях, так и в двигателях с искровым зажиганием (двигателях Отто); простота реализации, т.е. метод практически не требует конструктивных переделок в двигателе; долговечность датчиков, что делает возможным использование метода при мониторинге двигателей.