ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
Технические эндоскопы, неразрушающий контроль, оптические приборы
Гибкие эндоскопы, жесткие эндоскопы, видеоэндоскопы для промышленности
197136, Санкт-Петербург,
Чкаловский пр., д. 50,
Тел: (812) 333-51-52; 973-04-68
Факс: (812) 333-51-52

Контроль работы и диагностика автомобильного двигателя
путем прямого оптического контроля за сгоранием топлива в цилиндрах

           Введение

     Фундаментальные исследования процессов горения невозможны без применения оптических методов. Спектральный состав излучения испускаемого, поглощаемого или рассеиваемого в пламени несет огромное количество информации о протекающих химических реакциях, позволяет определить состав и количество промежуточных и конечных продуктов горения, их температуру, давление и пространственное распределение. Это методы являются бесконтактными, малоинерционными и высокочувствительными. Поэтому при разработке двигателей внутреннего сгорания широко применяются оптические методы исследований. С их помощью можно наблюдать процесс распространения горения, потоки топливно-воздушной смеси и многое другое.
     Впервые такие работы былы проведено еще в начале 30-х годов в исследовательских лабораториях американского концерна "General Motors" Ллойдом Уитроу и Джеральдом Рассвейлером. Оснастив двигатель прозрачными окнами для вывода излучения, эти исследователи впервые применили анализ спектров испускания и поглощения света, сопровождающего сгорания топлива в разные моменты времени и от разных участков камеры сгорания. В результате исследований была создана детальная и реалистичная модель работы бензинового двигателя с искровым зажиганием, исследованы детонация в двигателях и действие антидетонационных присадок к топливу на основе тетраэтилсвинца.
     В настоящее время ведущие моторостроительные компании и исследовательские центры во всем мире тратят огромное количество средств и времени на детальные исследования процессов горения в автомобильных двигателях. Они используют самую совершенную и современную оптическую аппаратуру для изучения процессов смесеобразования, горения, химических превращений, идущих внутри цилиндров двигателя. Для решения этих задач специально создаются так называемые "glass engines" (стеклянные двигатели) - моторы с прозрачными для оптического излучения деталями.
     Читатели, которых интересует более подробная информация о применении оптических методов при исследовании автомобильных двигателей могут посетить сайт -->> University of Karlsruhe, Institute fur Kolbenmashinen. Germany.

     Понятно, что упомянутые выше методы контроля за процессами внутри двигателя чрезвычайно сложны. Их можно использовать в научных лабораториях и исследовательских центрах. Они требуют специально подготовленных двигателей.

     Возникает вопрос: "Можно ли применить прямой оптический контроль за сгоранием топлива в цилиндрах к серийному двигателю?"
     Для получения ответа надо:

  • обеспечить вывод излучения из цилиндра серийного двигателя,
  • связать характеристики светового излучения с параметрами работы цилиндра.

               Вывод излучения из серийного двигателя

         Поскольку автомобильный двигатель состоит из непрозрачных металлических деталей, вывод излучения из камер сгорания требует применения специальных устройств. В серийных двигателях это может быть сделано при использовании специальных свечей зажигания с прозрачными оптическими элементами. Передача излучения проходящего через прозрачные элементы свечей зажигания в регистрирующие модули системы происходит по волоконно-оптическим световодам.
         Данная идея была реализована в созданных оптико-электронных системах контроля сгорания и диагностики автомобильных двигателей серии BCS. При проверке двигателя выворачиваются стандартные свечи зажигания. Вместо них устанавливают специальные "оптические" свечи зажигания с прозрачными окнами. Свечи сочленяют со световодами, направляющими излучение в модуль регистрации.
         Схематическое изображение свечи зажигания с прозрачным окном для вывода излучения, поджиг смеси и распространение пламени в цилиндре можно -->> посмотреть здесь .

                Связь светового излучения из камеры сгорания с работой двигателя

         Работа автомобильного двигателя основана использовании тепловой энергии, которая выделяется при сгорании топлива в механическую работу. Процесс сгорания сопровождается свечением. Свечение возникает при химических реакциях горения, источником свечения могут быть разогретые продукты сгорания, а также примеси, содержащиеся в топливно-воздушной смеси, сгорающей в цилиндрах. Интенсивность свечения в зависимость от времени (или угла поворота коленчатого вала двигателя) и его спектр (спектр-"цвета" свечения) зависят, например от:

      - количества топливно-воздушной смеси, поступившей в цилиндр,
      - состава смеси - соотношения количечства топлива и воздуха,
      - скорости распространения горения,
      - момента поджига смеси искрой зажигания и интенсивности поджига,
      - наличия зон самовоспланения (микродетонации смеси),
      - попадания моторного масла в камеру сгорания
           и ряда других факторов.

         Свет испускаемый веществами, которые заполняют цилиндры работающего двигателя является своеобразным индикатором, происходящих процессов. Поэтому, регистрируемые зависимости интенсивности свечения от времени называются Оптическими Индикаторными Диаграммами (ОИД). Сам метод имеет название Оптического Индицирования работы двигателя. Регистрируя свечение в информативной области длин волн, можно получить большое количество важной инфориации об особенностях работы каждого цилиндра серийного двигателя.

         Посмотрим на примеры Оптических Индикаторных Диаграмм, зарегистрированных в нормальных, исправных и отрегулированных с обычной точки зрения серийных двигателях. Они показывают очень высокую чувствительность методики Оптического Индицирования.

    Первый пример приведен на рис. 1. Здесь световые импульсы в каждом рабочем цикле имеют примерно одинаковую форму и амплитулу. Свечение заканчивается к концу первого такта. За это время вся рабочая смесь успевает сгореть. Однако, отчетливо видна присущая всем двигателям небольшая неповторяемость циклов.


    Рис. 1

    Второй пример рис. 2. Форма и амплитуда световых импульсов меняется в каждом рабочем цикле сильнее, чем в предыдущем примере. Имеются "хвосты" - это свечение на такте выпуска. Не вся топливная смесь успевает сгорать к моменту открытия выпускных клапанов.


    Рис. 2

    Третий пример рис. 3. Здесь параметр полноты сгорания топлива и воспроизводимости рабочего цикла еще хуже чем в предыдущем примере. Световые импульсы имеют разную форму. Отчетливо наблюдается свечение на всем такте выпуска. Оно прекращается только в момент поступления свежей смеси в цилиндр.


    Рис. 3

    Как показывают эти зависимости, Оптическое Индицирование является высокочувствительным индикаторным методом контроля работы цилиндров двигателя. Другие примеры оптических индикаторных диаграмм будут приведены на этой странице.

                Оптико-электронные системы BCS

         Создано два варианта системы BCS: система BCS m1-2 и система BC m1, которые предназначены для для оптического индицирования поршневых бензиновых двигателей с искровым зажиганием. Устройста защищены патентами Российской Федерации.

         Первый усложненный вариант - система BCS m1-2. В его состав входят следующие основные компоненты.
    Два оптико-электронных модуля, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный компьютер оснащенный специальными программами. Первый модуль системы включает в себя четыре идентичных оптических канала (что позволяет одновременно контролировать сгорание в четырех цилиндрах двигателя), регистрирующие излучение в достаточно широком спектральном интервале, канал контроля напряжения в низковольтной цепи зажигания, канал вибросигнала и два вспомогательных канала формирующих масштабные метки для определения изменения угла поворота коленчатого вала двигателя.
    Второй модуль системы BCSm1 представляет специализированный спектральный прибор по конструкции близкий к полихроматору. Его задача - регистрация интенсивности излучения в четырех спектральных интервалах. Спектральные интервалы здесь выбраны таким образом, что в них находятся участки спектров наиболее чувствительные к изменению состава топливной смеси, горению моторного масла и процессу детонации. В составе системы есть все необходимые светопроводы, свечи зажигания с прозрачными окнами, электрические кабели.

    Фотография усложненного варианта системы приведена ниже. Система имеет значительные габариты.



         Второй упрощенный вариант - система BCS m1. Его основное отличие от BCS m1-2 отсутствие второго оптико-электронного модуля для детального спектрального анализа светого излучения. В результате габариты прибора и его вес значительно меньше.

    Фотография экземпляра портативного варианта системы BCS m1 приводится ниже.

                Применения:

    РЕШЕНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

         Системы прямого оптического контроля сгорания BCS исключительно ценный инструмент при выполнении исследователских работ. Они позволяют отслеживать в режиме реального времени малейшие изменения в режимах работы каждого отдельного цилиндра двигателя. Созданные системы применялись в исследованиях систем управления двигателями на стандартных моторных стендах.

    На фотографии показан моторный стенд в состав которого входит система BCS m1. Проводятся испытания серийного двигателя с модернизированной системой зажигания.


    Оптические системы прямого контроля сгорания топлива являются достаточно "тонким" инструментом. Однако, их можно с успехом применять в автосервисе для диагностирования и регулировки двигателей.

    ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ В АВТОСЕРВИСЕ

          Идея применения. В процессе эксплуатации двигателя неизбежно возникает износ деталей, появляется разрегулировка в системах управления питанием, зажиганием и возникают мелкие или крупные поломки. Все это сразу сказывается на эффективности работы двигателя и в конечном счете проявляется в изменении хода сгорания топлива в цилиндрах. Системы BCS позволяют сразу увидеть даже малые отклонения. Важно, что разные неисправности дают разное изменение вида оптических индикаторных диаграмм.
          Этот принцип положен в основу патента на "Способ диагностирования технического состояния поршневого двигателя внутреннего сгорания" . Исправный и правильно отрегулированный двигатель дает определенной модели оптические диаграммы эталонного вида. При наличии неисправностей вид оптических диаграмм не совпадает с эталонным. Наблюдаемые при диагностировании двигателя отклонения от эталонных диаграмм, являются основой для постановки диагноза.

          Фотография диагностического стенда с системой BCS m1 приведена на фотографии. Стенд укомплектован также многокомпонентным газоанализатором SUN и, конечно, техническим эндоскопом для автосервиса .


    Посмотреть фотографии двигателей с "оптическими" свечами зажигания и световодами .

    Помимо решения задач диагностики двигателя в автосервисе, системы прямого контроля сгорания BCS являются исключительно мощным инструментом для индивидуальной и очень точной регулировки двигателей.

    РЕГУЛИРОВКА ДВИГАТЕЛЕЙ

          Пример из практики примение системы.     Приведем с краткими пояснениями фрагменты экранов цифрового компьютерного осциллографа системы BCS m1, с сигналами оптических индикаторных диаграмм в реальном времени сразу от всех 4-х цилиндров работающего двигателя на разных этапах регулировки.

    Этап 1.    Проведены все штатные регулировки систем питания, зажигания. Состав выхлопных газов по CO, CH, CO2, O2 в норме. После этого подключаем систему BCS m1.
    Видно ( см. рис. ниже ), что сгорание в разных цилиндрах происходит по разному. Можно попробовать улучшить работу двигателя, настраивая системы управления, добиваясь оптимальной формы и хорошей воспроизводимости оптических индикаторных диаграмм в каждом цилиндре и рабочем цикле.



    Этап 2.   В результате проведенной заново регулировки двигателя, добиваемся одинаковой и воспроизвоидимой формы световых сигналов из всех цилиндров двигателя ( см. рис. ниже ).

    Этап 3.   Наконец, заключительными регулировками, получаем оптические индикаторные диаграммы оптимальной формы ( см. рис. ниже ).



             Заключение

          Надеемся, что заинтересованные читатели смогли понять суть идеи прямого оптического контроля работы цилиндров автомобильного двигателя, которая реализована в системах BCS и она им понравилась. Фактически, мы рассказали о единственном сравнительно простом методе, позволяющем детально "увидеть" в реальном времени каждый рабочий цикл.
          Наверняка возникло много вопросов. Действительно, за кажущейся простотой реализации системы и вроде интуитивно понятными оптическими индикаторными диаграммами стоит непростая интерпретация и обоснование их применения. Это "ноу-хау" владельцев патентов, результат длительной теоретической работы и многочисленных испытаний.
          Еще один важный момент. Практическое применение систем BCS требует серьезной теоретической подготовки от работающих с ней специалистов.
          Получить более подробную информацию можно -->> связавшись с нами .


    (C) Оптические системы контроля, 2003 - 2015
  • РАЗДЕЛЫ САЙТА