Результат интеллектуальной деятельности: Способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при оценке технического состояния двигателей внутреннего сгорания с учетом температурного и вибрационного признаков.

Известен способ диагностики и прогнозирования технического состояния машин [Авторское свидетельство №1519350 СССР. МПК G01M 15/00. Опубл. 10.06.97. Бюл. №16], заключающийся в измерении значения диагностических признаков вибрации корпуса у машин, которые испытывают до возникновения отказа, оценивают функции распределения вероятностей признаков вибрации для множества машин и, их относительную долю поля рассеивания погрешности как значение функции распределения соответствующего признака, а по близости функции к 0 или 1 судят о состоянии машины и определяют ее категорию качества по прогнозируемому ресурсу. Недостаток способа диагностики и прогнозирования технического состояния машин заключается в большом количестве проводимых испытаний, требующих измерения вибрации корпуса у значительного количества машин, испытываемых до отказа.

Известен способ диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы [Патент №2151384 РФ. 7 МПК G01M 15/00, F02M 65/00. Опубл. 27.04.2003. Бюл. №12], заключающийся в измерении и преобразовании сигналов, возникающих в результате взрыва топливной смеси в камере сгорания, причем сигнал с оптического датчика преобразуют в комплексный оптический спектр, а сигнал с акустического датчика - в комплексный акустический спектр, определяют относительный комплексный показатель путем деления акустического спектра на оптический, по величине которого делают заключение о техническом состоянии двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы и прогнозируют процессы разрушения материала деталей. Недостаток способа диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы заключается в том, что дополнительное введение оптического датчика в камеру сгорания влияет на процессы сгорания и показатели акустического датчика, что снижает точность оценки технического состояния.

Известен способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания [а.с .№1546871 МПК G01m 15/00], заключающийся в сравнении измеряемого теплового потока с поверхности диагностируемых частей с эталоном. Измерение теплового потока ведут в местах, лежащих на поверхности выпускного трубопровода напротив выхлопа из цилиндра, а режим работы устанавливают путем изменения частоты вращения, причем для диагностирования величины подачи топлива устанавливают мощность: (0,5-1,0) n_max, для диагностирования угла опережения впрыска: (0,35-1,0)N_{e max}, при частоте вращения коленвала (0,5-1,0) n_max, а для диагностирования давления впрыска топливной форсунки устанавливают режим по частоте вращения коленчатого вала (0,6-1,0) n_max; без нагружения двигателя (N_{e max} - максимальная эффективная мощность двигателя, n_max - максимальная частота вращения). Недостаток способа диагностирования двигателя внутреннего сгорания заключается в низкой точности при диагностировании двигателя, имеющего одновременно более одной неисправности и ограниченность применения, так как числовые параметры привязаны к определенному типу двигателя внутреннего сгорания.

Известен способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания [Патент на изобретение №2511801 МПК G01m 15/04; G01m 15/10], заключающийся в измерении теплового поля на поверхности выпускного коллектора, при этом определяют конфигурацию коллектора и коэффициент, учитывающий особенность движения выпускных газов. Температуру выхлопных газов Т_ВГn определяют по формуле:

где - коэффициент, учитывающий количество окон в коллекторе; α_B - коэффициент теплоотдачи воздуха, Вт/К м²; α_ВГ - коэффициент теплоотдачи выхлопных газов, Вт/К м²; λ_к - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора, Вт/Км; Т_с1 - температура наружной стенки выпускного коллектора, К; Т_в - температура наружного воздуха, К.

Температуру выхлопных газов сравнивают со значениями нормативно-технической документации, дают заключении о техническом состоянии двигателя внутреннего сгорания. Недостаток способа диагностирования двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что при наличии нескольких неисправностей, неоднозначно влияющих на техническое состояние исследование температуры выхлопных газов недостаточно.

Наиболее близким прототипом является способ диагностики двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в измерении температуры выпускных газов на минимальной и максимальной частоте вращения. Температура выпускных газов на минимальной частоте вращения определяется по формуле:

где - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора; α_ВГ - коэффициент теплоотдачи выпускных газов, Вт/(К м²); α_В - коэффициент теплоотдачи воздуха Вт/(К м²); δ - толщина стенки выпускного коллектора, м; λ_k - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора Вт/(К м); T_cnmin; T_cnmax - температура наружной стенки выпускного коллектора на минимальной и максимальной частотах вращения соответственно, К; Т** - индекс тепловой нагрузки внешней среды.

Температура выпускных газов на максимальной частоте вращения определяется по формуле:

Комплексный показатель на минимальной частоте вращения N_{n min} определяется по формуле:

где k_T - коэффициент, учитывающий значимость температурного признака; k_в - коэффициент, учитывающий значимость вибрационного признака; Т_э - эталонная температура, К; V_э - эталонная скорость вибрации, м/с; - температура выпускных газов на минимальной частоте вращения; V_min - скорость вибрации выпускных газов на минимальной частоте вращения, м/с.

Комплексный показатель на максимальной частоте вращения N_{n max} определяется по формуле:

где k_T - коэффициент, учитывающий значимость температурного признака; k_в - коэффициент, учитывающий значимость вибрационного признака; Т_э - эталонная температура, К; V_э - эталонная скорость вибрации, м/с; - температура выпускных газов на максимальной частоте вращения; V_max - скорость вибрации выпускных газов на максимальной частоте вращения, м/с.

По предельному отклонению комплексного показателя N_{n max} от критического значения определяют место неисправности и техническое состояние двигателя внутреннего сгорания. Недостаток способа диагностики двигателя внутреннего сгорания, что комплексный показатель не учитывает фактических значений температуры и скорости вибрации наружной стенки выхлопного коллектора в условиях повышенной температуры окружающей среды.

Задача, на которую направлено изобретение, заключается в повышении наглядности комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания.

Технический результат заключается в формировании цифрового кода на основе температурного и вибрационного признаков с учетом фактических значений температуры и скорости вибрации наружной стенки выхлопного коллектора.

Технический результат достигается тем, что способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания, заключающийся в определении комплексного показателя с учетом температуры и вибрации выпускных газов, а также их эталонных значений на максимальной и минимальной частоте вращения отличающийся тем, что фактические значения температуры и вибрации наружной стенки выхлопного коллектора измеряются на режиме полной мощности, температурный признак определяется по формуле: где σ_Ut - стандартное отклонение температуры, Вт; Ut_факт - фактическое значение температуры наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; М_Ut - среднее арифметическое значение температуры, Вт, а вибрационный признак определяется по формуле: где σ_Uv - стандартное отклонение вибрации, Вт; Uv_факт - фактическое значение вибрации наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; M_Uv - среднее арифметическое значение вибрации, Вт, при этом комплексная оценка определяется по формуле: устанавливается статус технического состояния: 0<КО≤0,5 - исправное; КО>0,5 - неисправное и формируется цифровой код: КО: ТП[Ut_факт]VП[Uv_факт].

Заявленный способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания соответствует критерию «новизна», так как имеет следующие отличия от прототипа:

1. Для учета температуры Ut_факт и вибрации Uv_факт наружной стенки выхлопного коллектора измеряются их фактические значения на режиме полной мощности.

2. Для перевода фактического значения температуры наружной стенки выхлопного коллектора в безразмерную величину определяется температурный признак ТП по формуле:

где σ_Ut - стандартное отклонение температуры, Вт; Ut_факт - фактическое значение температуры наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; M_Ut - среднее арифметическое значение температуры, Вт.

3. Для перевода фактического значения вибрации наружной стенки выхлопного коллектора в безразмерную величину определяется вибрационный признак VII по формуле:

где σ_Uv - стандартное отклонение вибрации, Вт; Uv_факт - фактическое значение вибрации наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; M_Uv - среднее арифметическое значение вибрации, Вт.

4. Для установления статуса технического состояния определяется комплексная оценка КО по формуле:

где ТП - температурный признак; VП - вибрационный признак; если 0<КО≤0,5 - исправное техническое состояние; КО>0,5 - неисправное техническое состояние

5. Для повышения наглядности комплексной оценки формируется цифровой код технического состояния:

где КО - комплексная оценка; ТП - температурный признак; VП - вибрационный признак; Ut_факт - фактическое значение температуры наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; Uv_факт - фактическое значение вибрации выхлопного коллектора, Вт.

Способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания работает следующим образом. Измеряются фактические значения температуры Ut_факт и вибрации Uv_факт на режиме полной мощности путем установки пьезоэлектрических датчиков на наружной стенке выхлопного коллектора. Температурный признак ТП с учетом фактического значения температуры наружной стенки выхлопного коллектора Ut_факт определяется формуле:

где σ_Ut - стандартное отклонение температуры, Вт; Ut_факт - фактическое значение температуры наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; M_Ut -среднее арифметическое значение температуры, Вт.

Стандартное отклонение температуры σ_Ut определяется по формуле:

где Ut_min - минимальное значение температуры, Вт; Ut_max - максимальное значение температуры, Вт.

Среднее арифметическое значение температуры M_Ut определяется по формуле:

Вибрационный признак VП с учетом фактического значения вибрации наружной стенки выхлопного коллектора Uv_факт определяется по формуле:

где σ_Uv - стандартное отклонение вибрации; Uv_факт - фактическое значение вибрации выхлопного коллектора, Вт; M_Uv - среднее арифметическое значение вибрации.

Стандартное отклонение вибрации σ_Uv определяется по формуле:

где Uv_min - минимальное значение вибрации, Вт; Uv_max - максимальное значение вибрации, Вт.

Среднее арифметическое значение вибрации M_Uv определяется по формуле:

Комплексная оценка КО технического состояния определяется по формуле:

где ТП - температурный признак; VП - вибрационный признак.

Определяется статус технического состояния: 0<КО≤0,5 - исправное; КО>0,5 - неисправное.

Цифровой код технического состояния формируется следующим образом:

где КО - комплексная оценка; ТП - температурный признак; VП - вибрационный признак; Ut_факт - фактическое значение температуры наружной стенки выхлопного коллектора, Вт; Uv_факт - фактическое значение вибрации выхлопного коллектора, Вт.

Пример. Двигатель внутреннего сгорания типа 3Д6 работает на режиме полной мощности.

Ut_факт =5 Вт (Ut_max=8 Вт; Ut_min=4 Вт) и

Uv_факт = 10 Вт (Uv_max=12 Вт; Uv_min=6 Вт)

Температурный признак ТП двигателя внутреннего сгорания типа 3Д6 составляет:

Стандартное отклонение температуры σ_Ut составляет:

Среднее арифметическое значение температуры M_Ut составляет:

M_Ut=4+1=5 Вт

Вибрационный признак VП двигателя внутреннего сгорания типа 3Д6 составляет:

Стандартное отклонение вибрации σ_Uv составляет:

Среднее арифметическое значение вибрации M_Uv составляет:

M_Uv=6+1,5=7,5 Вт

Комплексная оценка КО составляет:

Цифровой код технического состояния составляет: 1,25: 0,5[5]2,0[10].

Заявленный способ комплексной оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания позволяет повысить ее наглядность путем формирования цифрового кода с учетом температурного и вибрационного признаков на основе фактических значений температуры и скорости вибрации наружной стенки выхлопного коллектора.