О.Е. УЛАСЕВИЧ, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный институт);

А.М. КУДРЯВЦЕВ, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный институт).

В режиме разгона без нагрузки, в соответствии с рисунком 1, двигатель внутреннего сгорания нагружается собственными силами сопротивления и при неравномерной работе цилиндров, в особенности при наличии одного и более неработающих цилиндров (или отключенных, для догрузки двигателя при его бестормозном диагностировании), а также при повышенной неуравновешенности, в угловом ускорении коленчатого вала четырёхтактных двигателей появляются составляющие, в соответствии с рисунком 2б, с частотами f_k [1, стр.7], уровень амплитуд которых отражает степень неуравновешенности двигателя

(1)

где φ_ц − угол поворота коленчатого вала за цикл двигателя; φ_чв − угол чередования вспышек между соседними группами из двух и более цилиндров (при этом число групп в цикле работы двигателя чётное); f_ц − частота цикла работы двигателя внутреннего сгорания (для четырёхтактных двигателей f_ц = 0,5f); n − количество цилиндров в двигателе; f − частота вращения коленчатого вала; k − номер гармонической составляющей.

Гармоника ускорения, кратная 4-й гармонике частоты вращения, отражает активные процессы горения топлива и создания положительного вращающего момента. Эти гармоники аналогичны гармоникам, проявляющимися в стационарном режиме работы ДВС под нагрузкой.

Номера гармоник f_k
для различных компоновок конструктивных схем двигателя
различны [4, стр. 11].

Рисунок 1 – Осциллограмма ускорения разгона коленчатого вала 4-ёх цилиндрового двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала

Уровень амплитуд гармоник f_k ускорения отражает степень неуравновешенности двигателя, в особенности возрастающую при отключении каким-либо способом части цилиндров в случае догрузки двигателя при проведении диагностирования или испытания.

а) − диаграмма ускорения коленчатого вала с привязкой по углу его поворота,

б) − диаграмма процесса появления гармоники ускорения коленчатого вала.

Рисунок 2 – Диаграмма процесса появления гармоники ускорения в двигателе внутреннего сгорания при разгоне коленчатого вала

У всех двигателей всегда имеются допускаемые остаточные неуравновешенные силы и моменты, вызванные конструктивными и технологическими факторами. Уровень допустимой неуравновешенности двигателя при его испытании можно задать с помощью задания допустимых амплитуд гармоник f_k ускорения. Превышение этого уровня свидетельствует о повышенной неуравновешенности двигателя.

Для определения технического состояния двигателей при многократных разгонах и выбегах предлагается выполнять измерение мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра, и в соответствии с рисунком 2б, с измерением амплитуды заданных гармонических составляющих ускорения, по которым определяется степень неуравновешенности двигателя. В то же время, в соответствии с рисунком 1, измерения на разгоне мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала необходимо выполнять с момента времени достижения определённой частоты вращения коленчатого вала в цикле работы двигателя, а измерения на выбеге, в соответствии с рисунком 3, проводить на рабочем ходе и тактах сжатия каждого цилиндра при отключенной подаче топлива с помощью устройства, представленного на рисунке 4, в последнем цикле работы двигателя перед моментом времени той же определённой частоты.

Рисунок 4 – Диаграмма ускорения выбега коленчатого вала 4-ёх цилиндрового двигателя

Рисунок 4 – Функциональная схема устройства отключения подачи топлива в цилиндры двигателя

На выбеге в каждом цилиндре определяют средние значения соответствующих величин, и при достижении двигателем ранее определённого значения частоты вращения коленчатого вала, вычитают [2, стр.8] из ускорения разгона эти гармонические составляющие и ускорение выбега на рабочем ходе каждого цилиндра. Полученные величины являются газовой (полезной) составляющей ускорения коленчатого вала [4, стр.11], и отражают активные процессы горения и создания положительного крутящего момента. Они используются для расчета коэффициента неравномерности по формуле:

(2)

где ε_imax и

ε_imio – максимальное и минимальное значения ускорений, вычисленные по формуле:

(3)

где ε_рi, ε_вi и ε_гi − средние значения ускорений, измеренных в разгоне, выбеге и, в соответствии с рисунками 4,1, гармоник f_k ускорения в разгоне на соответствующих участках работы цилиндров.

(4)

где J_дв − приведённый момент инерции (для конкретной модели двигателя является величиной приблизительно постоянной); ω − угловая скорость коленчатого вала (близкая к номинальной для N_e).

Учитывая, что приведённый момент инерции для данного двигателя − величина приблизительно постоянная, то по изменению углового ускорения при данном значении угловой скорости можно определить эффективную мощность двигателя:

(5)

По вычисленным величинам ε_i определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня и по соотношению полученных величин определяют степень неравномерности работы цилиндров, по их значению выявляют неработающие цилиндры, при периодическом появлении отрицательных значений ускорения разгона коленчатого вала на рабочих тактах цилиндров фиксируются пропуски воспламенения, по средним значения ускорения разгона на рабочем такте каждого цилиндра выполняют их оценку эффективной динамической мощности [3, стр.9], по средним значениям ускорения выбега каждого цилиндра – оценку герметичности надпоршневого пространства.

Устройство, представленное на рисунке 4, работает следующим образом.

Датчик частоты вращения индуктивного типа 1, установленный на двигателе формирует импульсы синусоидальной формы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя. В формирователе 2 синусоидальные импульсы преобразуются в прямоугольные импульсы, которые запускают ждущий мультивибратор 3. Он формирует сигнал той же частоты, но нормированной длительности (τ = const). С выхода мультивибратора сигнал поступает на вход фильтра низкой частоты 4, где выделяется постоянная составляющая. Её амплитуда прямо пропорциональная частоте входного сигнала (U_cp = f(n), где U_cp− амплитуда выходного сигнала с фильтра низкой частоты 4; n − частота сигнала, поступающего на вход фильтра низкой частоты 4), и, следовательно, частоте вращения коленчатого вала двигателя. На заданной частоте вращения коленчатого вала двигателя, амплитуда этой составляющей U_cp достигнет необходимого значения, равного амплитуде сигнала U1, поступающего на вход «−» компаратора 5, он переключится, и на выходе появится сигнал логической единицы. Этот сигнал вызывает срабатывание триггера защёлки 6, который, управляя работой силового транзистора 7, включенного в цепь питания топливными форсунками, закроет его. В закрытом состоянии транзистора 7 подача топлива в двигатель прекращается, и обороты вращения коленчатого вала двигателя уменьшаются. При достижении оборотами коленчатого вала двигателя такого значения, при котором амплитуда сигнала U_cp достигнет величины, равной амплитуде опорного напряжения U2, поступающего на вход «−» компаратора 8, он переключится, и подаст с выхода второго мультивибратора 9 на вход (S) триггера защелки 6 импульс логической единицы, который переключает его в исходное состояние. На вход транзистора 7 поступит управляющий сигнал, который откроет его. Подача топлива в цилиндры двигателя вновь возобновится.

Список литературы

1. Белов, П.М. Двигатели армейских машин. / [Текст] / П.М. Белов, В.Р.Бурячко, Е.И. Акатов – Часть1. теория. М., Воениздат, 1971.

2. Патент 2208771 Российская Федерация, МПК
G 01 L 23/08. Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [Текст] / Добролюбов И.П., Федюнин П.И., Ольшевский С.Н.; заявитель и патентообладатель: Институт механизации сельского хозяйства при Новосибирском государственном аграрном университете. − № 2001107684/06; заявл. 21.03.01..; опубл. 20.07.03, Бюл. №20. − 28 с. : ил.

3. Автотестер модели К484. Техническое описание и инструкция по эксплуатации К484.00.00.000 ТО. РСФСР, Министерство автомобильного транспорта, Республиканское объединение «Росавтоспецоборудование», Новгородское производственное объединение «автоспецоборудование», Опытно-эксперементальный завод, 1987. − 50 с. : ил.

4. Ольшевский, С. Н. Комплексный контроль технического состояния двигателей внутреннего сгорания по параметрам переходных процессов [Текст] : дис. … канд. техн. наук : Новосибирск 2005 61:05-5/3332.

2) УЛАСЕВИЧ О. Е., доцент, начальник кафедры РВВДКУ (ВИ);

3) КУДРЯВЦЕВ А. М., старший преподаватель РВВДКУ (ВИ).

Значительное влияние на показатели работы двигателя оказывают неисправности и регулировочные параметры системы зажигания. Многочисленные исследования и практика эксплуатации показывают, что установка регулировочных параметров в процессе технического обслуживания и ремонта в соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей не обеспечивает их оптимальных значений, так как используемые при этом нормативы являются усреднёнными и не учитывают индивидуальных особенностей двигателей.

Большое практическое значение имеет величина установочного момента зажигания в (φ_умз), так как она является базовой, относительно которой производится коррекция момента зажигания (φ_мз) вакуумным и центробежным регуляторами, а в ДВС с КСУД установка и коррекция выполняется с помощью программного обеспечения электронного блока управления. В настоящее время разработано большое количество методов и средств контроля (φ_умз). Однако большинство из них не позволяет в условиях эксплуатации произвести индивидуальную оптимальную регулировку.

В основу оптимизации (φ_умз) может быть положена регулировочная характеристика двигателя по (φ_мз), широко используемая при доводочных испытаниях ДВС, в соответствии с которой на одном и том же режиме работы величины индикаторного КПД (η_i) и индикаторного момента (М_i) одновременно достигают максимума при оптимальной величине (φ_мз). Но в отличие от индикаторного момента − эффективная мощность (Nе) учитывает изменения внутренних потерь в двигателе [1]. Поэтому при оптимизации (φ_умз) для построения этой характеристики изменяют установочный момент зажигания (φ_умз) и при каждом его значении по спектральным характеристикам изменения угловой скорости коленчатого вала находят величину эффективной мощности (N_е)_.. Затем по полученным результатам строят зависимость . Максимум этой зависимости соответствует оптимальной величине (φ_умз).

Полученная в соответствии с рисунком 1, зависимость эффективной мощности (N_е) от момента зажигания имеет явно выраженный максимум при моменте зажигания, соответствующем оптимальному значению.

При отклонении φ_мз от оптимального значения на 10° угла поворота коленчатого вала (п. к. в.) как в большую, так и в меньшую стороны эффективная мощность ДВС ЗМЗ-4062.10 изменяется с 10,6 до 15 (кВт). При этом чувствительность эффективной мощности к изменению момента зажигания составляет 5%. Такой характер изменения N_е от φ_мз подтверждает вышеприведённое теоретическое обоснование возможности оптимизации φ_мз по величине N_е.

Согласно проведённому анализу, одной из часто встречающихся эксплуатационных неисправностей является пропуск воспламенения топлива в ДВС, причиной чему в основном являются отклонения заданных параметров систем питания и зажигания. Отражением этих неисправностей будет являться искажение динамики процесса сгорания топлива, появление неравномерности вращения коленчатого вала и снижение мощности, что в военное время влечёт за собой подрыв выполнения боевой задачи.

где N_е – эффективная мощность; φ_{умз опт}- оптимальное значение момента зажигания

Рисунок 1 − Регулировочная характеристика оптимизации эффективной мощности двигателя по моменту зажигания

Для выявления истинной причины пропусков воспламенения топлива необходимо осуществить разложение периодической функции углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в ряды Фурье.

Оптимизация зазора в свечах зажигания.

Кроме установочного момента зажигания одним из основных регулировочных параметров системы зажигания является зазор между электродами свечей. Его величина оказывает значительное влияние на протекание рабочих процессов в цилиндрах двигателя и во многом определяет экономическую и токсическую характеристики двигателя.

Влияние зазора в свечах зажигания на характеристики искрового разряда неоднозначно. С одной стороны, при уменьшении зазора, амплитуда импульса вторичного напряжения при этом снижается, что влечет за собой уменьшение энергии и мощности ёмкостной составляющей разряда Р_ер (2,3) [2]. С другой стороны, при том, что на емкостной разряд расходуется лишь небольшая часть магнитной энергии, накопленной в сердечнике катушки зажигания, то за счет оставшейся части магнитной энергии возрастает длительность индуктивной составляющей электрического разряда t_ир, и выделяемая энергия индуктивного разряда W_ир (4) [2].

,    (1)

где С₂ − емкость вторичной цепи; U_пр − пробивное напряжение, которое в свою очередь по закону Пашена зависит от температуры Т и давления р в камере сгорания, и от размеров искрового промежутка d, т.е.: .

,    (2)

где t_ер − длительность емкостной составляющей электрической составляющей

,    (3)

где U_ир − напряжение индуктивного разряда (в соответствие с рисунком 2); I₂ − ток вторичной цепи.

На практике для расчета энергии индуктивного разряда широко используется приближенная формула:

    (4)

Известно, что увеличение энергии и продолжительности индуктивной составляющей искрового разряда обеспечивают большую надежность воспламенения смеси и снижение расхода топлива на этих режимах. Однако так же установлено, что чем выше пробивное напряжение, тем меньше первая фаза сгорания топлива, и в этом случае уменьшается продолжительность всего процесса сгорания. В связи с этим поршень за меньшее время проходит меньшее расстояние.

Топливо сгорает в меньшем объёме, следовательно, повышается максимальное давление цикла. Кроме того, при быстром сгорании уменьшается омываемая горячими газами поверхность, через которую теплота передаётся в охлаждающую жидкость или воздух, что увеличивает эффективный КПД двигателя. Одновременно с этим вследствие более раннего окончания процесса сгорания понижается температура отработавших газов [3], что уменьшает образование оксидов азота NO_x.

Таким образом, при ускорении сгорания топлива повышается мощность эффективный КПД двигателя, возрастает его экономичность в результате уменьшения потерь теплоты и улучшаются его экологические показатели вследствие более полного сгорания топлива. Поэтому, изменяя зазор в свечах зажигания, можно установить оптимальное для данного двигателя соотношение амплитуды и длительности импульса вторичного напряжения, которое обеспечивает наименьшую продолжительность начальной фазы сгорания, а, следовательно, и наилучшие показатели работы двигателя.

Используемые в настоящее время способы контроля величины зазоров в свечах с помощью набора круглых щупов и по осциллограмме вторичного напряжения системы зажигания не обеспечивают их оптимальных значений, так как при этом устанавливают нормативные значения зазоров, не учитывающие индивидуальные особенности двигателей. В связи с этим особый интерес представляет возможность оптимизации этого параметра в условиях эксплуатации.

а − емкостная фаза разряда; б − индуктивная фаза разряда

Рисунок 2 − Изменение напряжения и тока электрического разряда [2]

В основу оптимизации может быть положено построение регулировочной характеристики двигателя по величине зазора в свечах. При этом оптимальному значению зазора соответствуют наилучшие показатели работы двигателя. Поскольку одним из параметров работы двигателя, наиболее полно оценивающим эффективность рабочих процессов в цилиндрах, является эффективная мощность, её величина может быть использована для оптимизации зазора в свечах. Определение эффективной мощности, как и в случае оптимизации установочного момента зажигания, производится по параметрам спектрального анализа изменения угловой скорости коленчатого вала в соответствии с ранее приведённой методикой определения неравномерности работы цилиндров и их технического состояния.

Список использованных источников

1. Holt G. Resent developments of electronic governors // Diesel and Gas Turbine Eng. – 1986. -№ 431. -P. 1-21.
2. Ютт, В. Е. Методы и средства диагностики электрооборудования автомобилей [Текст] : Учеб. пособие / В. Е. Ютт; – М.: Высшая школа, 1974. – 129 с.
3. Бельских, В. И. Справочник по техническому обслуживанию и диагностированию тракторов [Текст] / В. И. Бельских ; – М.: Россельхозиздат, 1986. – 399 с.