Проведение экспериментальных исследований рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания с целью получения диагностической информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.43

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВС С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

А.А. Обозов

В.И. Таричко

Получение диагностической информации о ДВС связано с проведением комплекса контрольно-измерительных испытаний. В настоящее время широко применяется методика экспериментальных исследований поршневых двигателей при построении диагностических моделей [1; 2]. При осуществлении функциональной диагностики контрольная аппаратура установлена на борту транспортного средства и позволяет оценивать техническое состояние двигателя во всем диапазоне его нагрузок во время эксплуатации. Системы технического диагностирования, основанные на данном подходе, преимущественно распространены на судах, тепловозах, тягачах, карьерных самосвалах и другой специальной технике. При оценке технического состояния двигателей автотракторного типа целесообразнее осуществлять тестовую диагностику, т.е. проводить комплекс испытаний ДВС при подключении к нему контрольно-измерительной аппаратуры на станции технического обслуживания или в сервисном центре [3; 4]. Принцип действия подобных систем основан на субъективном подходе при получении диагностической информации. При этом особенно важно, что определяются лишь достаточно развитые неисправности, которые уже отразились на технико-экономических и экологических показателях двигателя.

Диагностика неисправностей на ранней стадии их возникновения предполагает глубокое изучение процессов, происходящих в двигателе внутреннего сгорания как сложной динамической системе. Проведенное с этой целью математическое моделирование показало, что при оценке технического состояния конструктивных элементов ДВС автотракторного типа, в частности ЦПГ, наиболее информативными являются режимы стартерной прокрутки и холостого хода. Для получения диагностической информации в указанном диапазоне режимов был разработан экспериментальный стенд, обоснован выбор датчиков (первичных носителей информации об объекте исследования) и комплекса вторичной аппаратуры (питающей, усилительно-преобразующей и регистрирующей). Наряду с этим было разработано программное обеспечение для сбора, обработки, хранения и визуализации информации.

С целью исследования двигателя как объекта технической диагностики и, соответственно, разработки системы технического диагностирования в лаборатории ДВС кафедры «Тепловые двигатели» Брянского государственного технического университета создан экспериментальный стенд (рис. 1). Стенд представляет собой комплекс, состоящий из двигателя внутреннего сгорания 6Ч 8,2/11 (ГАЗ) 1; балансирной машины 2; фундамента с подмоторной плитой; соединительного вала для передачи крутящего момента от двигателя к балансирной машине 3; пульта управления двигателем 4; пульта управления балансирной машиной; контрольных и измерительных устройств 5; диска регистрации углового положения коленчатого вала 6; системы охлаждения 7; ПК для обработки сигналов датчиков 8; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для сбора первичной информации 9. На двигателе установлены штатные элементы системы питания: бензиновый насос диафрагменного типа и карбюратор К-126. К двигателю подведено принудительное водяное охлаждение. Установка оснащена устройствами питания двигателя воздухом и топливом, отвода отработавших газов.

Нагружение двигателя осуществляется электрической балансирной машиной, снабженной весовым устройством для измерения крутящего момента. Пульт управления двигателем позволяет осуществлять прокрутку двигателя стартером с помощью кнопки 10; регулировать степень открытия дроссельной заслонки с помощью рычага 11; контролировать частоту вращения вала двигателя по тахометру 12, давление масла (13), температуру охлаждающей жидкости (14).

Рис. 1. Экспериментальный стенд: а - общий вид стенда; б - блок регистрации сигналов; в - пульт управления двигателем

Комплекс контрольно-измерительной аппаратуры экспериментального стенда составляют электронные приборы и механические устройства, позволяющие получать необходимую диагностическую информацию. Механические измерительные устройства экспериментальной установки позволяют регистрировать частоту вращения коленчатого вала (посредством тахометра); крутящий момент, развиваемый двигателем (с помощью весового устройства); температуру на впуске (лабораторным термометром); давление во впускном патрубке и выпускном коллекторе (посредством образцовых манометров).

В структуру электронной контрольно-измерительной аппаратуры входят датчики - первичные носители информации о диагностируемом объекте; комплекс вторичной аппаратуры - питающей, усилительно-преобразующей и регистрирующей (АЦП, ПК); комплекс обработки и вывода информации (программное обеспечение). Аппаратура позволяет осуществлять индицирование двигателя, т.е. запись быстро изменяющихся давлений в цилиндрах, а также во впускном патрубке и выпускном коллекторе.

С целью получения диагностической информации применяются тензометрические датчики давления, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. В тензометрических датчиках давления электрическая схема служит для преобразования электрического сопротивления тензорезистора в постоянное напряжение [5].

Датчики были выбраны исходя из следующих требований. Для оценки технического состояния ДВС по параметрам рабочего процесса необходимо осуществлять индицирование в цилиндре, впускном патрубке и выпускном коллекторе. При измерении давлений следует учитывать рабочий диапазон датчика, который должен соответствовать диапазону измерения регистрируемой физической величины.

Следует отметить, что при индицировании двигателя одним из основных требований является минимизация паразитной емкости, возникающей в месте установки датчика давления. В связи с этим стремятся к минимизации длины индикаторного канала, так как от этого зависит фазовая погрешность индицирования. Поэтому места установки датчиков были выбраны исходя из расположения штатных средств на современных двигателях и для обеспечения минимальной длины индикаторного канала внешних устанавливаемых приборов.

Для успешного индицирования двигателей датчик также должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Выдерживать 2-3-кратные перегрузки (относительно максимального регистрируемого давления).

2. Обладать минимальным дрейфом нуля. В отдельных случаях предусматриваются специальные методики компенсации дрейфа нуля. Компенсация дрейфа нуля датчика особенно важна при индицировании цилиндра двигателя, когда датчик подвержен высоким температурам.

С учетом перечисленных требований для регистрации индикаторного процесса двигателя был выбран тензометрический датчик давления газов 2 производства НПП «ACE» (Россия, г. Ростов-на-Дону); для регистрации разрежения во впускном патрубке был выбран штатный датчик 4 для автомобилей ГАЗ; для получения осциллограммы, отражающей изменение давления в выпускном коллекторе, использовался датчик давления 7 с измерительным элементом производства фирмы «Motorola» (рис. 2).

Рис. 2. Тензометрические датчики для регистрации индикаторных процессов ДВС:

1 - головка блока цилиндров; 2 - датчик давления в цилиндре (рабочее давление до 18 бар); 3 - впускной патрубок; 4 - датчик абсолютного давления во впускном патрубке (рабочее давление до 1,2 бар); 5 - трубопровод к вакуумметру; 6 - выпускной коллектор; 7 - датчик давления в выпускном коллекторе (рабочее давление до 7 бар); 8 - трубопровод к образцовому манометру

Рис. 3. Место установки датчика-сигнализатора ВМТ на двигателе: 1 - датчик; 2 - шторка для прерывания ИК-сигнала; 3 - диск отметки ВМТ; 4 - защитный кожух; 5 - кронштейн

В ходе исследования для каждого датчика установлена функциональная зависимость выходного напряжения Uвых от давления P. При тарировке для контроля задаваемых значений давления и выходного сигнала были применены образцовые средства измерения (манометр, вакуумметр). Испытания показали, что тарировочные характеристики датчиков давления линейны.

Для определения углового положения коленчатого вала двигателя использовался датчик-сигнализатор ВМТ, устанавливаемый над диском 6 (рис. 1). Применяется оптический датчик (рис. 3), построенный на инфракрасных диодах (в момент времени, когда поршень 1-го цилиндра находится в положении ВМТ, шторка, установленная на диске, прерывает прохождение инфракрасного сигнала от диода-излучателя к диоду-приемнику, сигнал «1» TTL-уровня от датчика поступает на АЦП; если поршень 1-го цилиндра не находится в положении ВМТ, то на АЦП поступает сигнал «0»). Для питания датчиков используются аккумуляторные батареи напряжением 12 и 4,5 В, установленные на фундаментной плите.

Аналоговый сигнал после датчиков (Uвых) поступал в блок аналого-цифрового преобразования. Использовался внешний АЦП ЛА-20USB производства ЗАО «Руднев-Шиляев».

Для обработки поступающих от устройства данных аналого-цифрового преобразования и управления устройством через интерфейс USB разработана автоматизированная система (совместно с доцентом А.Ю. Дракиным), методика построения которой изложена в [6].

Обмен данными аналого-цифрового преобразования между ПК и устройством ЛА-20USB осуществляется через интерфейс USB. Сигналы (без сглаживания и с фильтрацией) представляются в векторной форме и хранятся в базе данных системы. При этом после завершения преобразования появляется окно, информирующее о времени записи циклов, а также графическое окно с отображением сигналов.

На рис. 4 представлен пример фрагмента записи циклов. Индицирование двигателя осуществлялось при стартерной прокрутке, закрытой дроссельной заслонке, давлении во впускном патрубке Pвп=0,64 бар, частоте вращения коленчатого вала nдв=200 мин-1. Благодаря использованию автоматизированной системы сбора и обработки данных появляется возможность с высокой точностью определить значения давлений в характерных точках исследуемых процессов, а также обеспечить необходимую синхронизацию сигналов.

При использовании системы можно отследить начало прокрутки двигателя, определить участок установившейся частоты вращения вала двигателя. Это играет важную роль при настройке алгоритмического аппарата системы диагностики, обеспечивая тем самым качественную оценку технического состояния конструктивных элементов двигателя.

Процедуру оценки технического состояния на режиме стартерной прокрутки необходимо осуществлять на установившейся частоте вращения коленчатого вала с целью получения достоверной диагностической картины. В связи с этим в автоматизированную систему сбора и обработки данных включен алгоритм отдельного выделения индикаторных диаграмм на установившейся частоте вращения коленчатого вала.

Рис. 4. Графическое окно с изображением записи сигналов датчиков:

1 - момент запуска системы; 2 - начало прокрутки двигателя стартером; 3 - отключение стартера; 4 - участок установившейся частоты вращения; 5 - момент остановки двигателя и прекращения работы системы сбора данных; 6 - сигнал датчика абсолютного давления во впускном патрубке; 7 - сигнал датчика отметки ВМТ; 8 - сигнал датчика давления в выпускном коллекторе; 9 - сигнал датчика давления в цилиндре

Алгоритмы, заложенные в систему, позволяют отражать по оси абсцисс (помимо точек отсчета) время записи циклов, угол поворота коленчатого вала (рис. 5). неисправность камера сгорание двигатель

Рис. 5. Запись индикаторного процесса в координатах времени, угла поворота коленчатого вала и давления (режим стартерной прокрутки, дроссельная заслонка закрыта, Pвп=0,64 бар, nдв=200 мин-1)

Окончательный вид графического окна задается в соответствии с интересами исследователя, который осуществляет индицирование двигателя. Также имеется возможность представления последовательных циклов во времени (рис. 6).

Рис. 6. Индикаторные диаграммы рабочего процесса двигателя на режиме стартерной прокрутки ДВС (Pвп=0,75 бар, nдв=200 мин-1)

В результате обработки индикаторного процесса при работе двигателя на режимах стартерной прокрутки и холостого хода система представляет информацию для каждого цикла по следующим параметрам:

- давление в конце такта сжатия Pc, бар;

- максимальное давление цикла Pmax, бар;

- угол ПКВ, град;

- угол ПКВ, соответствующий максимальному давлению цикла, цPmaх, град;

- давление во впускном патрубке Pвп, бар;

- давление в выпускном коллекторе Pвып, бар;

- частота вращения коленчатого вала nдв, мин -1;

- общее время и время одного цикла ф, с.

С целью получения информации о ДВС как объекте диагностики проведен комплекс экспериментальных исследований, направленных на получение необходимого статистического объема данных для оценки технического состояния ответственных конструктивных элементов двигателя, в частности камеры сгорания ЦПГ.

Одним из наиболее эффективных методов оценки герметичности камеры сгорания ЦПГ является метод, основанный на контроле давления газов в цилиндре в конце такта сжатия Pc. Сегодня для оценки герметичности цилиндра по данному информативному параметру (компрессии) широко применяются механические компрессометры, компрессографы и мотор-тестеры. Однако подобный субъективный подход позволяет определять лишь те неисправности, которые проявлены в значительной степени.

Для распознавания нарушения герметичности камеры сгорания на ранней стадии развития неисправности использован метод имитации неисправности на исследуемом двигателе Отметим, что до проведения описываемых исследований двигатель ГАЗ-52 не был задействован ни в учебном процессе, ни в экспериментальных исследованиях. На основании этого принято, что двигатель находится в полностью исправном состоянии.. С этой целью сконструирован специальный штуцер, вворачиваемый вместо свечи зажигания (рис. 7). Деталь была изготовлена на высокоточном оборудовании Брянского автомобильного завода (рис. 7б). Стрелками на рис. 7а показаны направления утечек рабочего тела из камеры сгорания через полости переходника при индицировании двигателя. Исходя из специфики решаемой задачи диаметры отверстий в винтах были выбраны согласно данным математического моделирования, с тем чтобы по результатам эксперимента получить классы исправного состояния (до 5% снижения эффективной цилиндровой мощности), граничного состояния (5%), неисправного состояния (более 5%).

Рис. 7. Переходник в камеру сгорания для имитации неисправности ЦПГ: а - чертеж штуцера; б - натурная деталь

Набор винтов с калиброванными отверстиями может варьироваться при проведении натурных испытаний с целью получения множества классов различных технических состояний. При этом используются винты без отверстий для получения индикаторных диаграмм, соответствующих идеальному состоянию конструктивных элементов ЦПГ. С применением штуцера без винтов (максимальная утечка в конце такта сжатия) появляется возможность имитировать серьёзный отказ двигателя (неплотное закрытие клапана, полное разрушение поршневых колец).

Рис. 8. Установка датчика давления со штуцером: 1 - датчик; 2 - штуцер; 3 - винт с калиброванным отверстием

Для проведения экспериментов был выбран 21 вариант различных уровней утечек, соответствующих трём классам технического состояния (исправное, граничное, неисправное). В ходе натурных испытаний исследования проводились с использованием аппаратных средств и разработанной автоматизированной системы обработки данных. Индицирование двигателя осуществлялось с применением датчиков давления совместно со штуцером и винтами с калиброванными отверстиями (рис. 8).

Экспериментальные исследования на режиме стартерной прокрутки осуществлялись при четырёх положениях дроссельной заслонки, которые соответствовали различным значениям абсолютного давления во впускном патрубке: 0,64 бар (полностью закрытая заслонка); 0,75 бар; 0,85 бар; 0,95 бар (полностью открытая заслонка). Для каждого из 21 варианта различных уровней утечек было проведено индицирование цилиндра двигателя (индицировался цилиндр №1). При индицировании двигателя решалась задача получения необходимого статистического объема диагностической информации. Было принято, что для оценки герметичности камеры сгорания ЦПГ достаточно данных по 40 циклам для каждого класса состояния. При этом системой в автоматическом режиме обрабатывались данные по каждому циклу и представлялись в табличном виде. В таблице 1 представлены параметры характерных точек индикаторных диаграмм для режима стартерной прокрутки при характеристическом просвете Д= 0,1471 мм и абсолютном давлении во впускном патрубке Pвп=0,75 бар.

Таблица 1. Значения характерных точек индикаторных диаграмм (в качестве примера представлены результаты записи 7 последовательных циклов)

Аналогичная методика была применена при экспериментальных исследованиях рабочего процесса двигателя на режиме холостого хода. Индицирование осуществлялось без воспламенения топливно-воздушной смеси в исследуемом цилиндре при четырех положениях дроссельной заслонки, соответствующих различным значениям абсолютного давления на впуске Pвп: 0,35 бар (минимально устойчивые обороты коленчатого вала, nдв=500 мин-1); 0,4 бар (nдв=650 мин-1); 0,45 бар (nдв=750 мин-1); 0,49 бар (nдв=850 мин-1). На рис. 9 представлены индикаторные диаграммы, полученные на одном из режимов стартерной прокрутки (nдв=200 мин-1, Pвп=0,75 бар), а также на одном из режимов холостого хода (nдв=500 мин-1, Pвп=0,35 бар).

Рис. 9. Индикаторные диаграммы, полученные с помощью имитации неисправности:

а - режим стартерной прокрутки (абсолютное давление на впуске Pвп=0,75 бар, частота вращения коленчатого вала nдв=200 мин-1); б - режим холостого хода (абсолютное давление на впуске Pвп=0,35 бар, частота вращения коленчатого вала nдв=500 мин-1)

Из рис. 9 видно, как изменяется параметр Pmax при увеличении зазора Д. При этом на режиме стартерной прокрутки уровень Pmax существенно выше уровней Pmax соответствующих режимов холостого хода.

Экспериментальные данные, полученные при исследовании рабочих процессов на режимах стартерной прокрутки и холостого хода, представляют собой статистическую информацию, необходимую для построения алгоритмов технического диагностирования с использованием вероятностно-статистического подхода.

Итак, разработан и создан экспериментальный стенд для исследования ДВС как объекта диагностики. Стенд необходим для отработки алгоритмов разрабатываемой системы технического диагностирования, построенной на методах теории распознавания образов. Обоснован выбор контрольно-измерительной аппаратуры (датчики давления в цилиндре, впускном патрубке, выпускном коллекторе, датчик определения углового положения коленчатого вала) для решения задач диагностирования технического состояния ЦПГ по параметрам рабочего процесса. Для дублирования показаний электронных средств измерения использованы образцовые манометры, тахометр, лабораторный термометр. Предложена методика имитации нарушения герметичности КС ЦПГ, основанная на использовании устанавливаемого вместо свечи зажигания специального штуцера и винтов с калиброванными отверстиями. Методика позволяет искусственно имитировать утечки из камеры сгорания цилиндра, что создает условия, аналогичные распространенным неисправностям ЦПГ (разрушение поршневых колец, неплотное закрытие клапана). В соответствии с разработанной методикой проведены экспериментальные исследования, имитирующие неисправности двигателя внутреннего сгорания (нарушения герметичности камеры сгорания). Экспериментальные исследования проводились на режимах стартерной прокрутки и холостого хода при вариации утечек из камеры сгорания и изменении давления во впускном патрубке. Получены индикаторные диаграммы, соответствующие трём заданным классам технического состояния: исправного, граничного и неисправного. В результате экспериментальных исследований получен объем статистических данных, необходимый для построения алгоритмов и последующего проведения диагностики вероятностно-статистическими методами.

Список литературы

1. Обозов, А.А. Исследование процесса сжатия в судовом малооборотном дизеле со средним индикаторным давлением 20 бар / А.А. Обозов, В.В. Рогалев, А.В. Клочков // Двигателестроение. - 2009. - №1. - С. 10-14.

2. Halderman, J.D. Automotive Technology Principles, Diagnosis, and Service / J.D. Halderman. - 4th edition. - Boston. Prentice Hall, 2012. - 1652 p.

3. Ждановский, Н.С. Надёжность и долговечность автотракторных двигателей / Н.С. Ждановский, А.В. Николаенко.- Л.: Колос, 1981.- 295 с.

4. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высш. шк., 2005. - 479 с.

5. Колчин, А.В. Датчики средств диагностирования машин / А.В. Колчин. - М.: Машиностроение, 1984. - 120 с.

6. Дракин, А.Ю. Разработка программно-аппаратного комплекса для индицирования двигателя внутреннего сгорания / А.Ю. Дракин, В.И. Таричко// Совершенствование энергетических машин. - Брянск: БГТУ, 2013.

Аннотация

Представлены результаты разработки и создания экспериментального стенда в лаборатории ДВС Брянского государственного технического университета для отработки принципиально новой системы технического диагностирования, основанной на прикладных аспектах теории распознавания образов. С применением современных электронных измерительных средств и автоматизированной системы сбора и обработки данных проведено индицирование двигателя на различных режимах работы с использованием методики имитации неисправности. Получен статистический объем диагностической информации для классов исправного, граничного, неисправного технических состояний камеры сгорания ДВС.

Ключевые слова: бензиновый двигатель внутреннего сгорания, классы технического состояния, имитация неисправности ДВС, тестовый метод диагностики, рабочий процесс ДВС.

Размещено на Allbest.ru