Устройство для определения технического состояния цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по параметрам картерных газов
Полезная модель используется для диагностирования технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) дизеля при его техническом обслуживании. Цель - определение параметров картерных газов (их расхода, давления и температуры) в расширенном диапазоне расходов с достоверностью, достаточной для качественной оценки технического состояния ЦПГ дизелей современных конструкций. Устройство содержит средство измерения объемного расхода картерных газов в виде датчика расхода 1 дифференциального типа с электрическим выходом сигнала, средство индикации в виде цифрового дисплея 5, датчик давления 2 картерных газов, датчик температуры 3 картерных газов, пьезоэлектрический датчик 4, усилитель сигналов 6 и микроконтроллер 7. Выходы всех датчиков 1-4 подключены к соответствующим входам усилителя 6, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера 7, а выход микроконтроллера 7 подключен к входу дисплея 5. Датчик 4 установлен в топливопроводе высокого давления форсунки первого цилиндра диагностируемого двигателя.
Настоящая полезная модель относится к области технической диагностики и может быть использована для диагностирования технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) дизельного двигателя при его техническом обслуживании.
Техническое состояние ЦПГ тесно связано с количеством прорывающихся в картер газов, называемых картерными газами. Увеличение неплотностей ЦПГ вызывает увеличение расхода картерных газов, повышает давление в картере.
Известно устройство для определения технического состояния дизельного двигателя по параметру картерных газов, содержащее средство измерения объемного расхода картерных газов, выполненное в виде датчика расхода дифференциального типа, и средство индикации результатов измерений (авторское свидетельство SU 1589090 А1, МПК G01L 13/00, 1990 г.). С помощью известного устройства, устанавливаемого на маслозаливную горловину диагностируемого двигателя, расход картерных газов определяют по величине площади проходного сечения регулируемой щели, которая выполнена в средстве измерения объемного расхода картерных газов, при фиксированном перепаде давления, создаваемом этой щелью. Изменение площади сечения щели производят, наблюдая за величиной перепада давления, отображаемого с помощью проградуированной U-образной прозрачной трубки, заполненной жидкостью.
Для нормального функционирования известного устройства требуется строго вертикальное расположение U-образной трубки, при отклонении ее от вертикального положения погрешность измерения возрастает. Однако в реальных условиях эксплуатации известного устройства часто бывает трудно обеспечить указанное вертикальное расположение. Также на величину показаний влияют мешающие истечению газа элементы конструкции устройства, находящиеся близко к щели. Кроме того, известное устройство создает значительное сопротивление для выхода картерных газов (подпор давления), что не дает возможность измерять действительное давление этих газов в картере, которое, наряду с величиной расхода картерных газов, также характеризует техническое состояние ЦПГ. Регистрация перепада давления с помощью наполненной жидкостью U-образной трубки не обеспечивает определение малых величин расхода картерных газов (при малых давлениях картерных газов). Измерение расхода картерных газов известным устройством должно проводиться только на прогретом двигателе, когда температура картерных газов на выходе из картера составляет 85-95°С, так как проведение измерений при меньшей температуре картерных газов (на непрогретом двигателе) требует учета этой температуры для обеспечения достоверности результатов, а такого учета известное устройство не обеспечивает.
Кроме того, в настоящее время конструкции дизелей значительно изменились, и двигатели многих новых марок не позволяют установить известное устройство на маслозаливной горловине с последующим измерением расхода картерных газов. Таким образом, известное устройство не обеспечивает определение параметров картерных газов с достоверностью, необходимой для глубокой и качественной оценки технического состояния ЦПГ дизелей современных марок.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для определения технического состояния ЦПГ дизельного двигателя, которое обеспечивает определение параметров картерных газов (их расход, давление и температуру) в расширенном диапазоне их расходов (при малых расходах и давлениях) с достоверностью, достаточной для качественной оценки технического состояния ЦПГ дизелей современных конструкций.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для определения технического состояния ЦПГ дизельного двигателя по параметрам картерных газов, содержащем средство измерения объемного расхода картерных газов, выполненное в виде датчика расхода дифференциального типа, и средство индикации результатов измерений, согласно настоящей полезной модели, датчик расхода дифференциального типа выполнен в виде датчика с электрическим выходом сигнала, средство индикации выполнено в виде цифрового дисплея, а устройство дополнительно снабжено датчиком давления картерных газов, датчиком температуры картерных газов, усилителем сигналов, поступающих от датчиков, и микроконтроллером, причем выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам усилителя, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера, а выход микроконтроллера подключен к входу цифрового дисплея.
Выполнение в заявленном устройстве датчика расхода в виде датчика с электрическим выходом сигнала не требует какого-либо определенного (например, вертикального) положения устройства для его нормального функционирования и обеспечивает повышение точности измерений в большом диапазоне величин расходов (в том числе, при малых расходах) и возможность удобной обработки выходного сигнала датчика в микроконтроллере с выводом результатов на цифровой дисплей. Указанный датчик расхода имеет компактные размеры и не создает существенных препятствий и значительного подпора давления при истечении картерных газов (перепад давления, создаваемый датчиком данного типа на порядок меньше величины давления истекающих картерных газов). Отсутствие существенного перепада давления на датчике расхода, используемом в заявленном устройстве, обеспечивает измерение расхода картерных газов по существу при их естественном давлении в картере, а следовательно дает возможность измерить величину этого давления. Кроме того, это дает возможность измерять расход картерных газов не только на выходе из маслозаливной горловины, но и непосредственно на сапуне или системе рециркуляции картерных газов двигателя, т.е. обеспечено удобное использование заявленного устройства на многих дизелях современных конструкций. Наличие в заявленном устройстве датчиков давления и температуры картерных газов позволяет более полно и качественно определять техническое состояние ЦПГ, причем учет температуры картерных газов делает возможным измерение их расхода на непрогретом двигателе при использовании температурной поправки, как будет пояснено далее.
Кроме того, устройство по настоящей полезной модели преимущественно снабжено пьезоэлектрическим датчиком для установки его на топливопроводе высокого давления форсунки первого цилиндра дизельного двигателя, причем выход пьезоэлектрического датчика подключен к соответствующему входу усилителя, соответствующий выход которого подключен к соответствующему входу микроконтроллера.
Сигналы указанного пьезоэлектрического датчика, установленного в указанном месте, позволяют установить соответствие пульсирующих сигналов датчика давления картерных газов определенным цилиндрам двигателя и таким образом отразить динамику изменения пульсаций давления картерных газов от каждого цилиндра за один цикл работы двигателя в графическом виде на цифровом дисплее.
На фиг.1 представлена блок-схема заявленного устройства;
на фиг.2 - заявленное устройство в сборе;
на фиг.3 - схема подключения датчиков заявленного устройства к элементам диагностируемого двигателя;
на фиг.4 - графическое отображение поцилиндровой пульсации давления картерных газов на цифровом дисплее заявленного устройства.
Заявленное устройство для определения технического состояния ЦПГ дизельного двигателя по параметрам картерных газов содержит датчик расхода 1 дифференциального типа с электрическим выходом сигнала, датчик давления 2 картерных газов, датчик температуры 3 картерных газов, пьезоэлектрический датчик 4, цифровой дисплей 5, усилитель сигналов 6 и микроконтроллер 7. Для электропитания микроконтроллера 7 предусмотрен источник питания 8 в виде аккумулятора напряжением 12 вольт, в качестве которого может служить штатная аккумуляторная батарея транспортного средства, двигатель которого диагностируется, или в виде сетевого адаптера 9 на 12 вольт (фиг.2). Выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам усилителя сигналов 6, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера 7 (на фиг.1 связь усилителя сигналов 6 с микроконтроллером 7 условно показана в виде одного канала). Выход микроконтроллера 7 подключен к входу цифрового дисплея 5.
Микроконтроллер 7 многоканальный, 32-разрядный с частотой 60 МГц. В качестве цифрового дисплея 5 использован TFT-экран с активной матрицей размером 7 дюймов (150×90 мм), разрешением 800×480 точек, 256000 цветов. Микроконтроллер 7 с дисплеем 5 смонтированы в компактном переносном корпусе 10 (фиг.2). Для подключения устройства к аккумуляторной батарее предусмотрены провода 11 с зажимами типа "крокодил". Для установки датчика расхода 1, датчика давления 2 и датчика температуры 3 на элементы диагностируемого двигателя используется набор сменных соединительных переходников (адаптеров) 12.
В качестве датчика расхода 1 может быть использован датчик марки AWM-720 от компании Honeywell International, Inc., в качестве датчика давления 2 - датчик марки 40PC015G1A от той же компании, в качестве датчика температуры 3 - датчик марки TMP37GT9 от компании Analog Devices Inc., а в качестве пьезоэлектрического датчика 4 - датчик марки ПД-4 или ПД-6 от компании ООО "НПО "Новые Технологические Системы" (Россия, г.Самара). Все перечисленные датчики имеют электрический выход сигнала.
На основе представленных в настоящем описании данных специалист в данной области техники совместно со специалистом-программистом смогут разработать подробную электронную схему, реализующую заявленное устройство, обеспечивающее решение указанных задач.
Схема подключения датчиков заявленного устройства к элементам диагностируемого двигателя представлена на фиг.3. Датчики расхода 1 и давления 2 устанавливаются в зависимости от типа системы вентиляции картера. При свободной системе вентиляции картера (верхняя половина А схемы на фиг.3) датчик расхода 1 устанавливается на маслозаливную горловину 13 через сменный переходник 12. Возможна установка датчика расхода 1 на сапун 14, при этом выходное отверстие патрубка сапуна 14 герметизируют заглушкой 15. При замкнутой (принудительной) системе вентиляции картера (нижняя половина Б схемы на фиг.3) датчик расхода 1 устанавливается на выходной патрубок 16 системы рециркуляции картерных газов через сменный переходник 12. Для этого хомут патрубка 16 ослабляют, патрубок 16 отсоединяют от перепускного клапана (не показан) и свободный конец патрубка 16 подсоединяют к датчику расхода 1. В зависимости от конструкции двигателя расположение отсоединяемого патрубка 16 и его диаметр могут быть различными. Датчики давления 2 и пьезоэлектрический датчик 4 устанавливаются вне зависимости от типа системы вентиляции картера. Датчик давления 2 устанавливают на патрубок 17 масломерного щупа, вместо последнего. Пьезоэлектрический датчик 4, являющийся по существу датчиком оборотов двигателя, устанавливается на топливопровод 18 высокого давления, идущий от топливного насоса высокого давления на форсунку первого цилиндра. Датчик температуры 3 устанавливают на маслозаливную горловину 13 через сменный переходник 12.
Расход картерных газов измеряют с помощью датчика расхода 1 на номинальных оборотах холостого хода диагностируемого двигателя. Измеренный результат сравнивается с табличным значением для данной марки двигателя и принимается решения о дальнейшей эксплуатации двигателя. Сигналы датчика давления 2 отражают поцилиндровую пульсацию давления картерных газов, по которой оценивается относительное техническое состояние каждого из цилиндров. Если неравномерность пульсации между цилиндрами не превышает 10%, то двигатель допускается в эксплуатацию. Если пульсация давлений у одного из цилиндров значительно превышает значения остальных, то принимается решение о ремонте ЦПГ дизеля.
Если исследуемый двигатель оснащен системой рециркуляции картерных газов, то стоит обратить внимание и на среднее значение их давления. При давлении в картере двигателя выше 500 кПа двигатель направляется в ремонт. При проверке давления картерных газов необходимо плотно загерметизировать маслоналивное и масломерные отверстия.
По сигналам пьезоэлектрического датчика 4 определяют обороты диагностируемого двигателя. Кроме того, сигнал пьезоэлектрического датчика 4 является маркерной меткой, которая устанавливает соответствие пульсирующих сигналов датчика давления 2 с определенными цилиндрами двигателя, т.к. сигнал датчика 4 соответствует по времени импульсу давления картерных газов от первого цилиндра. Для разделения периодичности пульсаций давления ставится маркерная метка, сигнал для которой идет от датчика 4.
Дисплей 5 работает в двух режимах отображения информации при диагностировании. В режиме I на дисплее 5 отображаются расход картерных газов (л/мин), температура картерных газов в полости двигателя (°С), скорость вращения коленчатого вала (об/мин), все в цифровой форме. В режиме II дисплей 5 отображает динамику изменения пульсаций давления картерных газов каждого цилиндра за один цикл работы в графической форме (см. фиг.4), коэффициент пульсации давления (в цифровой форме), скорость вращения коленчатого вала (об/мин; маркерная метка на графике).
Измерения параметров картерных газов заявленным устройством можно проводить как на прогретом, так и непрогретом двигателе, фиксируя при этом температуру картерных газов с помощью датчика температуры 3. Для приведения измеренной величины объемного расхода картерных газов Qизм к величине расхода Q, соответствующей прогреву двигателя до температуры картерных газов 85-95°С, используют формулу пересчета:
Q=Qизм·[1+0,038·(90-t)],
где: Qизм - объемный расход картерных газов, измеренный при неполностью прогретом двигателе;
0,038 - приведенный коэффициент (для двигателя Д-21); для каждой марки двигателя устанавливается экспериментальным путем;
t - температура картерного газа при измерении, °С.
Анализ полученных с помощью заявленного устройства данных и сравнение их с эталонными позволяют сделать вывод о техническом состоянии ЦПГ дизеля в режиме текущей эксплуатации машины без снятия ее узлов и агрегатов.
1. Устройство для определения технического состояния цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по параметрам картерных газов, содержащее средство измерения объемного расхода картерных газов, выполненное в виде датчика расхода дифференциального типа, и средство индикации результатов измерений, отличающееся тем, что датчик расхода дифференциального типа выполнен в виде датчика с электрическим выходом сигнала, средство индикации выполнено в виде цифрового дисплея, а устройство дополнительно снабжено датчиком давления картерных газов, датчиком температуры картерных газов, усилителем сигналов, поступающих от датчиков, и микроконтроллером, причем выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам усилителя, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера, а выход микроконтроллера подключен к входу цифрового дисплея.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено пьезоэлектрическим датчиком для установки его в топливопроводе высокого давления форсунки первого цилиндра дизельного двигателя, причем выход пьезоэлектрического датчика подключен к соответствующему входу усилителя, соответствующий выход которого подключен к соответствующему входу микроконтроллера.
