По соотношению числа отказов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) цилиндропоршневая группа (ЦПГ) занимает второе место (до 20 %) после топливной аппаратуры (до 45 %) [3, 12]. Цилиндропоршневая группа двигателя работает в наиболее тяжелых условиях, таких как газовая среда, высокая температура, большие циклические нагрузки. При этом происходит интенсивный износ поршневых колец и поверхности тела цилиндра. Вследствие износа падает компрессия в цилиндрах, двигатель теряет мощность, хуже запускается, увеличивается расход масла и топливных материалов, ухудшаются экологические параметры. Следовательно, герметичность камер сгорания является одним из важнейших ресурсных параметров технического состояния двигателя [7, 9]. В настоящее время руководством по техническому обслуживанию двигателей легковых автомобилей, ЦПГ рекомендуют диагностировать, применяя ряд средств [4, 5, 8, 11, 15]. Точность и достоверность оценки технического состояния ЦПГ указанными приборами очень низкие. Целью работы является повышение эффективности диагностирования ЦПГ двигателей внутреннего сгорания способом оценки динамической компрессии.
Теоретические исследования. Выбор диагностических параметров
Износ ЦПГ значительно влияет на максимальное давление конца сжатия и на положение коленчатого вала двигателя, при котором достигается максимальное давление (фазу максимального давления). Значительная величина изменения значений предполагает их использование в качестве диагностических параметров. На величину давления конца сжатия и фазу будут влиять также режимы: обороты прокрутки вала двигателя стартером; температура охлаждающей жидкости. При выборе диагностических параметров следует учитывать максимальную чувствительность к изменению структурных параметров, описывающих техническое состояние ЦПГ, и иметь однозначную связь с ними. Определим величину коэффициента чувствительности для давления конца сжатия и фазы максимального давления на различных режимах прокрутки. Коэффициент чувствительности диагностического параметра определяется зависимостью
, (1)
где ΔP – изменение диагностического параметра, ΔS – изменение структурного параметра.
Адиабатный процесс, будет подчиняться уравнению состояния идеального газа Менделеева – Клапейрона [1, 2, 6, 10, 13, 14].
, (2)
где Р – давление, Па; V – объем, мм3; µ – молярная масса вещества; R – газовая постоянная, Дж/кг; Т – температура, К.
Вычислим изменение давления в зависимости от изменения объема надпоршневого пространства:
, (3)
где Р1 – давление в начале такта сжатия, Па; V1 – объем надпоршневого пространства в начальный момент сжатия, мм3; V2 – объем надпоршневого пространства в каждый последующий момент сжатия (через 2 град. поворота коленчатого вала), мм3; k – показатель адиабаты (для воздуха равен 1,4).
При передаче тепла стенкам цилиндра изменится и значения давления воздуха в цилиндре. Значения давления воздуха в цилиндре вычисляется по следующему уравнению [1, 6, 14]:
, (4)
где Р3 – давление в цилиндре с учетом передачи тепла стенкам цилиндра, Па; Т2 – температуры в камере сгорания без учета теплообмена, К; Т3 – температура воздуха в цилиндре при передаче тепла стенкам цилиндра, К.
Примем, что в результате утечки происходит адиабатное расширение воздуха в цилиндре на величину ΔV, тогда давление в результате расширения воздуха определим по уравнению
, (5)
где ΔV – объём воздуха, просочившийся через зазоры ЦПГ, при повороте коленчатого вала на 2 град, мм3.
Материалы и методы исследования
Для возможности проведения экспериментальных исследований необходимо выбрать датчик давления, блок питания и регистрирующую аппаратуру. Выбор датчика давления марки WIKAOT-01 обосновывается тем, что он полностью соответствует необходимым для проведения эксперимента характеристикам и точностью [8, 15]. Характеристики датчика: диапазон давления: от 0 до 16 бар; давление перегрузки: в 1,5 раза; точность: ± 0,25 %; ± 0,5 %; температура смещения нуля: 0,03 %; диапазон термокомпенсации: 0…50 °С; температура эксплуатации: от – 30 до 120 °С; источник питания: 15…30 В постоянного тока; входной сигнал 4…20 мА; подключение двухпроводное. Датчик давления необходимо питать блоком питания 20 В. Для этого специально был разработан источник питания. В качестве регистрирующего средства использовался USB-осциллограф Постоловского с программой «UsbOscilloscope» [11]. Способ установки датчика на двигателе ЗМЗ-4062 представлен на рис. 1.
Рис. 1. Датчик давления, вкрученный в свечное отверстие цилиндра двигателя ЗМЗ-4062
Результаты исследования и их обсуждение
Перед вычислением коэффициента чувствительности максимального давления необходимо было подобрать цилиндры с изменением площади суммарного износа от 0,5 мм2 до 1,6 мм2. Для этой цели использовался эталонный микрометрический винт, который позволял определить суммарную эквивалентную утечку цилиндров. А прибором К-69 проводилась подборка цилиндров с заданной утечкой с износом колец и гильзы. Оценка износа осуществлялась по известной методике [12]. Обороты прокрутки коленчатого вала составляли от 100 до 300 мин–1 с шагом 50 мин–1. Выбор шага связан с погрешностью измерений мотор-тестеров и осциллографов применяемых при диагностировании автомобильных двигателей. Вариация числа оборотов коленчатого вала обеспечивалась установкой реостата в цепь питания между аккумулятором и стартером, при использовании которого ограничивался ток питания стартера в режиме прокрутки. В результате экспериментальных исследований получены графики изменения величины давления для поршневых колец в холодном двигателе, имеющем температуру охлаждающей жидкости 20 °С и данные при температуре охлаждающей жидкости 90 °С (рис. 2, а). Аналогичные экспериментальные исследования проведены при износе цилиндров (рис. 2, б).
а) б)
Рис. 2. Изменение давления конца сжатия в зависимости от износа поршневых колец (а) и гильзы (б) на различных режимах прокрутки стартером и температуре ДВС
Как видно из рис. 2, а, б, характер изменения давления конца сжатия в зависимости от износа поршневых колец и гильзы практически идентичен. Так при изменении частоты вращения прокрутки стартером от 100 до 300 мин-1 при износе поршневых колец 0,5 мм2 (рис. 2, а) характер зависимости для холодного двигателя и горячего (температура охлаждающей жидкости 20 С и 90 °С) практически одинаков. Величина давления конца сжатия при 100 мин-1 составляет 11,8 бар, а при 300 мин-1 – 15,3 бар. Линии совпадают. Из этого следует заключение: изменение величины давления конца сжатия от температуры практически не зависит в пределах рабочих температур охлаждающей жидкости 20 °С и 90 °С и результаты имеют одинаковый характер.
Экспериментальные результаты при износе поршневых колец 1,6 мм2 (рис. 2, а) для холодного и горячего двигателя также идентичны. Но при этом величина давления конца сжатия при 100 мин-1 составляет 6,2 бар, а при 300 мин-1 – 11,9 бар. Главным образом с ростом износа поршневых колец существенно изменяется давление конца сжатия, мало коррелируя с температурой охлаждающей жидкости.
Рассмотрим характер взаимосвязи давления конца сжатия с износом гильзы цилиндра (рис. 2, б). При износе гильзы 0,5 мм2 характер зависимости для холодного двигателя и горячего также одинаков. Но при этом величина давления конца сжатия при 100 мин-1 составляет 12,5 бар, а при 300 мин-1 – 15,8 бар. Это несколько больше значений давления конца сжатия для износа колец при тех же изменениях температуры охлаждающей жидкости. При износе гильзы 1,6 мм2 для холодного двигателя и горячего изменение давления также одинаково. Величина давления конца сжатия при 100 мин-1 составляет 7,9 бар, а при 300 мин-1 – 12,3 бар.
Общий анализ рис. 2, а и б говорит о большей динамике снижения давления конца сжатия с износом поршневых колец. Однако по максимальной амплитуде давления различить эти две неисправности фактически невозможно. Следует дополнительно к этому осуществлять анализ фазовых параметров изменения давления. Но вначале посмотрим, как меняется коэффициент чувствительности давления конца сжатия от износа поршневых колец и гильзы цилиндров. Величина изменения структурного параметра ΔS, вызвавшая изменение давления конца сжатия, составляет 1,1 мм2. Вычислим величину изменения давления ΔP и коэффициента чувствительности для различных режимов прокрутки коленчатого вала двигателя стартером. По полученным данным построим графики зависимости коэффициента чувствительности давления конца сжатия при износе поршневых колец и цилиндров при ΔS = 1,6 мм2 при различных оборотах ДВС и температуре (рис. 3, а, б).
а) б)
Рис. 3. Коэффициент чувствительности давления конца сжатия: при износе ΔS = 1,6 мм2 поршневых колец (а) и цилиндров (б) на различных оборотах ДВС и температуре
Анализ данных по рис. 3 говорит о том, что чувствительность давления конца такта сжатия больше к износу поршневых колец. Так, коэффициент чувствительности при износе колец изменяется от 5 до 3,2 в пределах изменения частоты прокрутки от 100 до 300 мин-1. А при износе цилиндров – от 4,4 до 2,7. Однако эти пределы изменения достаточно близки друг к другу, чтобы отличить износ кольца от гильзы.
Давление, безусловно, является одним из важнейших параметров КПД работы ДВС, который стоит учитывать, но, как оказалось, фаза более чувствительна к изменению технического состояния ЦПГ. Определим то, как будет смещаться фаза в зависимости от различных режимов диагностирования, и выберем, при каком угле прохождения поршня создается максимальное давление. Для получения более точных значений шаг контроля сократили до 25 мин–1. В результате экспериментальных исследований получены зависимости смещения в градусах фазы максимального давления в испытуемых цилиндрах относительно ВМТ при температуре 20 и 90 °С и при различном износе поршневых колец (рис. 4).
Рис. 4. Зависимости смещения фазы в градусах: при температуре 20 и 90 °С и различном износе поршневых колец – ряд 1 и 3 смещение фазы в цилиндре с утечкой ΔS = 0,5 мм2; ряд 2 и 4 смещение фазы в цилиндре с утечкой ΔS = 1,6 мм2
Проведем анализ данных на рис. 4. Так при износе поршневых колец ΔS = 0,5 мм2 смещение фазы при изменении оборотов прокрутки от 100 до 300 мин-1 лежит в пределах от 6,2 до 2 град. Однако рост износа колец до ΔS = 1,6 мм2 при тех же изменениях оборотов прокрутки составляет от 17 до 6,3 град. Как видно, температура также мало влияет на изменение величины смещения фазы. На основании выявления такой чувствительной связи можно предположить, что смещение фазы с высокой точностью будет характеризовать износ поршневых колец. Вычислим величину смещения фазы ΔP и коэффициент чувствительности для различных режимов прокрутки коленчатого вала двигателя стартером при изменении износа поршневых колец 1,6 мм2. По полученным данным построим графики зависимости значения коэффициента чувствительности давления конца сжатия для различных режимов прокрутки вала двигателя стартером (рис. 5).
Рис. 5. Графики зависимости значения коэффициента чувствительности давления конца сжатия для различных режимов прокрутки вала двигателя стартером
Анализ данных, представленных на рис. 5, показывает, что рост износа поршневых колец вызывает существенное изменение фазы. Так в пределах изменения частоты прокрутки стартером 100–300 мин-1 коэффициент чувствительности с максимального значения 9,6 при 100 мин-1 падает до значения 4 при 300 мин-1. Следовательно, чем меньше частота прокрутки стартером, тем выше чувствительность диагностического признака к износу поршневых колец. Его сравнение с рис. 3 говорит о том, что коэффициент чувствительности смещения фазы по сравнению с коэффициентом чувствительности давления конца сжатия больше в два раза. Рекомендуется при проведении диагностирования ЦПГ вначале оценить давление конца сжатия в режиме прокрутки, определиться с общей тенденцией технического состояния. А после оценить смещение фазы от ВМТ цилиндра и уточнить диагноз.
Достоверная оценка технического состояния ЦПГ указанным способом позволяет избежать дорогостоящего ремонта двигателя и свести до минимума простои автомобиля при капитальном и текущем ремонте двигателя, повысить коэффициент технической готовности мобильных машин.
Выводы
В результате хронометрирования операций процесса диагностирования общее время диагностирования ЦПГ двигателя безразборным методом для одного автомобиля ГАЗ составляет 36,3 чел./мин. За базовое средство взят пневмотестер, имеющий высокую достоверность и схожие затраты на обслуживание с нашим методом диагностирования, но не применимый на автомобилях с автоматической трансмиссией, на данный момент количество которых возросло до 50 % согласно данным «Автостата». Произведены расчеты экономической эффективности разработанного способа диагностирования ЦПГ. Эффект от внедрения одного диагностического средства может составить около 40 508 руб. на один пост в год.