CC BY
42
УДК 629.113.004
ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА
© С.Н. Кривцов1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведено диагностирование дизельных двигателей на основе динамического метода. Обоснованы возможные состояния цилиндров, а также признаки их характеризующие. Для повышения информативности определения общего технического состояния каждого из цилиндров предложено широко известное тестовое воздействие -прекращение рабочего процесса. При этом анализу подлежат не только вклад данного цилиндра в работу, но и ускорение, которое получает коленчатый вал от него в отсутствии подачи топлива. Диагностические параметры пронормированы, и на примере дизельного двигателя TD-27 разработан алгоритм, реализующий предлагаемый в работе метод диагностики.
Ключевые слова: диагностирование; динамический метод; угловая скорость коленчатого вала; угловое ускорение коленчатого вала.
INCREASING DIAGNOSIS INFORMATIVITY OF DIESEL CYLINDER TECHNICAL CONDITION IN IDLING S.N. Krivtsov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Diesel engines have been diagnosed on the basis of a dynamic method. Cylinder probable states are substantiated as well as the features describing them. To improve the informativity of the determination of general technical condition of each of the cylinders it is proposed to apply a well-known test action i.e. termination of operation. In this case, analysis should be given to both the contribution of the cylinder in the operation and the acceleration imparted to the crankshaft by the cylinder in the absence of fuel supply. Diagnosis parameters are normalized and the algorithm implementing the proposed diagnosis method is developed on example of the diesel engine TD-27. Keywords: diagnosis; dynamic method; crankshaft angular velocity; crankshaft angular acceleration.
Надежность поршневого дизельного двигателя, а также его технико-экономические показатели целиком зависят от технического состояния цилиндров. В настоящее время накоплен большой арсенал методов и средств определения их технического состояния. При этом актуальным остается вопрос разработки новых и совершенствования имеющихся методов диагностирования с целью повышения информативности и снижения трудоемкости.
Одним из самых распространенных режимов диагностирования является режим холостого хода с минимальной частотой вращения коленчатого вала. При этом вся развиваемая в цилиндрах индикаторная мощность расходуется только на преодоление механических потерь. Сам режим при этом является достаточно стабильным для определенных марок дизелей и базовым для проведения некоторых диагностических проверок. Часто он используется в случаях фиксации пропусков воспламенения системой самодиагностики либо в виде явно выраженного симптома работы.
Поиск неработоспособного цилиндра, как правило, не представляет сложностей и может быть проведен, например, широко применяющимся активационным тестом «отключение цилиндров» (или баланс мощности) в ручном или автоматизированном режиме, просмотром данных балансировки цилиндров и т.д. Но
при этом причина, вызвавшая ухудшение показателей работы, зачастую слабо выявляется или не выявляется вовсе. В случае, когда имеет место совместное проявление неисправностей, возникает неопределенность технического состояния, требующая дополнительных проверок. Снижение количества диагностических воздействий для повышения точности диагноза позволяет уменьшить его трудоемкость, однако требует научного обоснования диагностических и режимных параметров дизеля, в связи с чем проводимое исследование является актуальным.
Неопределенность состояния принято количественно оценивать энтропией. Дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представим системой, состоящей из z элементов (цилиндров), каждый из которых может находиться в определенном и неизвестном до начала диагностирования состоянии. Условно считаем, что Х^ соответствует состоянию «исправен», Х2 - «неисправен и работоспособен», Х3 - «неисправен и неработоспособен». При этом в первых двух случаях симптомы, характеризующие явную недоработку цилиндров, отсутствуют или неразличимы без применения средств технического диагностирования. В последнем варианте (Х3) цилиндр дизеля развивает низкую мощность (рис. 1.).
1Кривцов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89086619729, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru
Krivtsov Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Motor Transport, tel.: 89086619729, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru
Рис. 1. Граф состояний цилиндра дизельного двигателя
При использовании математического аппарата теории вероятностей для представленного графа система дифференциальных уравнений возможных состояний будет выглядеть следующим образом:
= -Wi + - Wi + /%-Рз
dP2
t
^ = А13Р1 +
dt = ^12^1
(1)
где: Р1, Р2, Р3 - вероятности нахождения цилиндра в состояниях Х1, Х2, Х3 соответственно; А12, А13 - интенсивности перехода цилиндра из исправного состояния в неисправное; - интенсивности перехода ци-
линдра из неисправного состояния в исправное под воздействием ремонтно-обслуживающих мероприятий.
Для решения системы уравнений (1) используется условие
Р1+Р2+Рэ=1. (2)
Приравнивая производные указанных вероятностей к нулю и упуская некоторые математические преобразования, получим:
^i =
^2 =
1 +Я!2 /
+ А12
¿13/ 'I
М31
^3 =
^21+^12+ 13^21/^31 ¿13
^31+Я13+Я12^31/
^21
(3)
Подставив в выражение (1) уравнение (3) для нахождения полной энтропии цилиндра, получим
Я =
1
1 4-^12/ 4-^13/
I1 + / + /]
■I о g
1
21 +
31 ¿12
1 4. Л12/ _(_ Л13 / 1 + / + /
-I о g
М21 + //%
¿12
+
^21 + ^12+ 13^21/^31 ^21+^12+ 13^21/ii31 ¿13 1____¿13 I
М31+Л13+Я12^31/
■I о g
М21
(4)
М21У
Равномерность работы цилиндров дизеля на холостом ходу не всегда свидетельствует об их исправности, так как, например, небольшое снижение мощности цилиндра вследствие снижения герметичности может быть компенсировано увеличенной подачей топлива. Для устранения неопределенности технического состояния воспользуемся тестовым воздействием - прекращением рабочего процесса в проверяемом цилиндре. При этом интерес представляют не только качественное проявление реакции на тестовое воздействие, но и количественные показатели. В качестве диагностических параметров целесообразно использовать внутрицикловые изменения скорости и ускорения коленчатого вала, указанные в работе [1].
Параметры технического состояния подвергнем ранжированию исходя из соображений чувствительности диагностических признаков, а также допусков на их изменение [2]. В первую очередь нас интересуют параметры, наиболее сильно влияющие на мощность цилиндра, - герметичность и цикловая подача [3]. При этом герметичность цилиндра до 10% примем за норму, от 20 до 30% - цилиндр сохраняет работоспособность, снижение более чем на 50% приводит к неработоспособному состоянию и является наиболее трудоемким с точки зрения устранения. Промежуточные значения представляются слабо различимыми в рамках указанного метода диагностирования. Нормой для цикловой подачи назначим значение в пределах ±15% от заданного для режима холостого хода. Возможные сочетания сведем в табл. 1.
Сочетания параметров технического состояния формируют совокупности диагнозов Д1-Д6. Причем для диагноза Д5 определяющим признаком является именно снижение герметичности цилиндра, в случае диагноза Д6 влияние цикловой подачи ничтожно.
В качестве примера ниже приводятся результаты измерений угловой скорости и ускорения коленчатого вала дизеля TD-27 фирмы Nissan (рис. 2, 3).
1
/
Таблица 1
Сочетания возможных неисправностей цилиндра_
Параметр Герметичность цилиндра
норма снижена на 20-30% снижена более чем на 50%
Цикловая подача 3 топлива, мм завышена Д1 Д4 Д6
норма Д2 Д5
снижена Д3
120 1М 110 21© 140 270 300 Ш 360 МО 4» 4)0 4М 310 340 370 МО «30 «40 Угол поворота юлемчатого вала, град
Рис. 2. Зависимость угловой скорости коленчатого вала от угла его поворота (номера соответствуют процессу расширения для каждого цилиндра)
1000
soo
«о
400
a гоо
-200
-100
-600
-soo
I 900.0)5 9 4J.6S27 IL 1 SSS^IS
< 172.9291 Л 1
1
\ К, \ 2
J 0 6 0 < U 1») I! Vñ 0 1! 0 210 I- .0 чЛюо J 0 y 0 J90 420 U Г 1 1 /Vso J 0 J 0 JÍO в 1 50 ]f> tó^ííO «i >0 72
1 I 1
VI -499.903 IV -701.0» i l TH } V 4MJJ3 1
Угол попорота юлогчзтого пала, град. Рис. 3. Зависимость углового ускорения коленчатого вала от угла его поворота (номера соответствуют процессу расширения для каждого цилиндра)
Диагностирование двигателя на холостом ходу позволяет лишь ориентировочно оценить баланс распределения мощностей по цилиндрам двигателя. Так, например, из диагностических признаков большей чувствительностью обладают параметры приращения угловой скорости на такте «рабочий ход» в процессе расширения, приращения угловых скоростей от минимума к максимуму (поскольку оно начинается в окрестностях верхней мертвой точки (ВМТ), а также значение максимумов угловых ускорений в указанных угловых интервалах и разницы й£т1„.тах. Наихудшие показатели получены для четвертого цилиндра (см. рис. 2, 3), что позволяет констатировать вероят-
ность наличия неисправности, однако причина снижения мощностных показателей этого цилиндра не ясна, поскольку возможно присутствие взаимного влияния нескольких факторов. Для локализации возможной неисправности необходимо дополнительное тестовое воздействие (прекращение рабочего процесса в проверяемых цилиндрах).
Показатели угловых скоростей и ускорений, полученные при поочередном выключении цилиндров из работы, представлены на рис. 4, 5. Значения диагностических параметров представлены в табл. 2 и рис. 7, 8.
О 30 60 90 120 150 ISO 210 240 270 300 330 360 390 420 450 4S0 510 540 570 600 630 660 690 720
Угол поворота коленчатого вала, град. Рис. 4. Изменение угловой скорости коленчатого вала при отключении подачи топлива в цилиндры
При анализе балансов мощности цилиндров на холостом ходу методом поочередного отключения обычно пользуются сравнением падения средней угловой скорости относительно исходной, за самый мощный принимая тот, у которого падение Аш наибольшее [4]. Этот метод следует оценивать как очень грубый и неточный (см. рис. 4). В случае отключения цилиндра у двигателя с аккумуляторной топли-воподающей системой характер изменения угловой скорости еще сложнее (см. рис. 5), а падение оборо-
тов практически не различимо.
При отключении цилиндров возникает дополнительная неравномерность вращения, вызывающая появление низкочастотных гармоник частоты вращения, влияние же на ускорения минимально, в связи с чем получаемые данные более стабильны (рис. 6). При парном отключении (1, 4 и 2, 3) максимальные положительные ускорения работающих цилиндров ожидаемо увеличивалась, а отключенных - остались более стабильными.
Рис. 5. Изменение угловой скорости коленчатого вала двигателя 4НК1 автомобиля 1ви2и NQR с аккумуляторной топливоподающей системой на холостом ходу при отключении подачи топлива в один из цилиндров
Угол поворота коленчатого вала, град.
Рис. 6. Изменение углового ускорения коленчатого вала при отключении подачи топлива в цилиндры
Таблица 2
Значения диагностических параметров (рис. 4, 6)_
Номер цилиндра Диагностические параметры угловой скорости Диагностические параметры углового ускорения
^max, рад./с ^min, рад./с A^min-max, рад./с A^max-min, рад./с £max, 1 2 рад./с kmin, рад./с A^min-max, рад./с2 A^max-min, рад./с
Отключение 1-й фо рсунки
1 60,571 53,39 7,181 8,7019 748,9619 -707,757 1456,719 1862,927
2 62,0919 48,98 13,1119 10,4787 1155,17 -746,719 1901,889 1354,565
3 62,2627 50,4544 11,8083 10,1166 1078,691 -735,29 1813,981 1484,252
4 59,4587 53,2029 6,2558 9,0598 607,846 -722,56 1330,406 1801,251
Отключение 2-й фо рсунки
1 63,3552 51,3951 11,9601 9,6859 1049,349 -739,154 1788,503 1389,08
2 61,081 55,249 5,832 9,077 649,9264 -736,264 1386,19 1477,422
3 66,0495 54,6667 11,3828 8,6885 1084,962 -738,318 1823,28 1787,667
4 64,326 57,3939 6,9321 8,6556 741,1583 -706,406 1447,564 1791,368
Отключение 3-й фо рсунки
1 64,8739 53,0356 11,8383 8,9706 1111,86 -742,71 1854,57 1809,274
2 62,0062 50,5291 11,4771 9,7067 1066,564 -722,221 1788,785 1495,398
3 62,0637 55,9411 6,1226 8,9328 654,8964 -733,443 1388,339 1845,303
4 60,2358 52,4304 7,8054 9,6333 773,1774 -738,299 1511,476 1393,195
Отключение 4-й фо рсунки
1 67,2125 56,7567 10,4558 8,0889 1020,747 -732,318 1753,065 1733,405
2 64,8456 54,905 9,9406 9,58 1001,087 -755,622 1756,709 1193,247
3 68,9215 58,9073 10,0142 8,3052 1029,513 -728,416 1757,929 1749,163
4 64,485 60,8314 3,6536 8,0901 437,6245 -731,96 1169,585 1761,473
Статистическая обработка опытных данных по ряду дизелей позволила заключить, что диапазон максимальных мгновенных положительных ускорений для дизелей рабочим объемом 2,5-5,2 л для исправных цилиндров составил 850-950 рад./с2 (значения больше указанных возможны только при превышении по-
2
дачи), а для отключенных - 600-750 рад./с . Полученные данные легли в основу разработки алгоритма диагностирования дизеля на холостом ходу (рис. 9). В качестве диагностических параметров указаны максимальные значения ускорений.
1-й цилиндр 2-й цилиндр 3-й цилиндр 4-й цилиндр
■ Отключение 1-го цилиндра ■ Отключение 2-го цилиндра
■ Отключение 3-го цилиндра о Отключение 4-го цилиндра
Рис. 7. Значения приращения угловой скорости коленчатого вала от минимального до максимального значения каждым цилиндром при отключении подачи топлива в один из цилиндров
I Отключение 1-го цилиндра ■ Отключение 2-го цилиндра
■ Отключение 3-го цилиндра ■ Отключение 4-го цилиндра
Рис. 8. Максимальное угловое ускорение, развиваемое коленчатым валом при работе каждого из цилиндров
при отключении подачи топлива в один из цилиндров
Рис. 9. Алгоритм диагностирования технического состояния цилиндров автомобильного дизеля
на холостом ходу
Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Для устранения неопределенности технического состояния цилиндров дизельного двигателя на холостом ходу необходимо дополнительное тестовое воздействие в виде отключения подачи топлива в проверяемых цилиндрах.
2. В качестве диагностических параметров наиболее целесообразно оценивать максимальные положи-
тельные значения мгновенных угловых ускорений работающего и отключенного цилиндров в фазе расширения.
3. Разработан алгоритм диагностирования технического состояния цилиндров автомобильного дизеля на холостом ходу и определены диагностические нормативы.
Статья поступила 10.09.2015 г.
1. Кривцов С.Н., Сосненко Д.А. Обоснование диагностических параметров дизельного двигателя при диагностировании дизельного двигателя динамическим методом в режиме холостого хода // Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера. Конструкция, эксплуатация, экономика: материалы 90-й Междунар. науч.-техн. конф. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. С. 64-71.
2. Федотов А.И. Диагностика автомобиля: учебник для вузов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. 468 с.
ский список
3. Змановский В.А., Натарзан В.М., Махоткин О.А. Исследование индикаторной мощности двигателя как многофакторной зависимости от параметров технического состояния // Вопросы диагностики и обслуживания машин: труды Сиб-ВИМ / под ред. Б.В. Павлова. Новосибирск, 1968. С. 200-210.
4. Диагностика автотракторных двигателей / Н.С. Жданов-ский, В.А. Аллилуев, А.В. Николаенко, Б.А. Улитовский. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Изд-во «Колос», 1977. 264 с.
