Методология бестормозного диагностирования кривошипно-шатунного механизма ДВС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методология бестормозного диагностирования кривошипно-шатунного механизма ДВС

Одним из самых главных и сложных агрегатов в автомобиле является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его состояние определяет мощностные, топливно-экономические и экологические показатели автотранспортного средства (АТС). По статистике, до 30% материальных и трудовых затрат на обеспечение работоспособности ДВС расходуется на устранение отказов кривошипно-шатунного механизма (КШМ). 70% дефектов КШМ относят к неисправностям цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Отказы и неисправности ЦПГ вызываются: износом и залеганием поршневых колец; износом и задирами цилиндров; повреждением перемычек головки блока цилиндров и между кольцами на поршнях; износом или прогоранием поршней; нарушенной герметичности впускных и выпускных клапанов. Именно поэтому важно своевременно предупредить неисправности ЦПГ путем диагностирования ее состояния.

Обычно диагностику ЦПГ двигателя осуществляют различными методами и средствами по анализу показателей компрессии в цилиндрах - максимальному значению давления рабочей смеси в цилиндре ДВС в конце такта сжатия - Р_с. Потеря компрессии в цилиндрах функционально связана со средней частотой вращения коленчатого вала двигателя. Причина - долю различия в компрессионные свойства цилиндров вносит темп перемещения поршня, формируемый дополнительной неравномерностью вращения коленчатого вала из-за переменной составляющей приведенного момента инерции вращающихся, поступательно движущихся масс ДВС - J_п. Угловая скорость кривошипа отдельного цилиндра также изменяется от индивидуальной особенности работы соседних с ним по углу заклинки цилиндров. Таким образом, недостаточная компрессия цилиндра проявляется в большей мере с понижением частоты вращения коленчатого вала двигателя. При этом неравномерность вращения коленчатого вала возрастает не только от различия в совершаемой работе сжатия заряда, но и из-за увеличивающегося одновременно расхождения в характеристиках топливоподачи по цилиндрам.

Пуск двигателя также производится в области пониженной частоты вращения. Исходное положение поршней цилиндров, имеющих пониженную компрессию, оказывает определенное влияние на процесс пуска. Обычно при остановке двигателя поршень цилиндра, имеющего пониженную газоплотность - компрессию, совершает насосный ход, вытесняя сжимаемый заряд воздуха через зазоры сопряжений с компрессионными кольцами. На это затрачивается остаток кинетической энергии вращающихся масс двигателя, что, в свою очередь, вызывает остановку поршня в цилиндре с пониженной компрессией в области верхней мертвой точки (ВМТ). Поэтому в такой цилиндр, уже содержащий некоторую неисправность комплекта колец или выпускного клапана, чаще и в большем количестве, чем в другие, подается холодный пусковой воздух, нарушающий условия нормальной смазки деталей ЦПГ. Однако постоянная остановка поршня в области ВМТ i-го цилиндра является симптомом нарушенной в нём герметичности кольцевого уплотнения.

Измерение компрессии цилиндра осуществляется на прогретом до рабочей температуры 90-95°С двигателе несколькими способами с использованием расходомера картерных газов, пневмотестера, вакууметра, компрессометра [1, 2, 4, 6]. Именно диагностика ЦПГ компрессометром особо популярна на СТО ввиду простоты применения и доступности [3]. Установка компрессометра производится после удаления всех свечей зажигания цилиндра и полностью открытых воздушной и дроссельной заслонках у ДВС с искровым воспламенением или удаления всех форсунок у дизельного двигателя. Оценка компрессии каждого цилиндра производится последовательно одним компрессометром, что требует много времени на диагностику и особых навыков у оператора-диагноста.

Более оперативно информацию о компрессионных свойствах цилиндров двигателя получают по значениям пульсаций тока стартера при прокручивании коленчатого вала в отсутствии подачи топлива или искры от свеч зажигания [3]. Однако при этом способе диагностирования определяется только показатель относительной компрессии по цилиндрам без указания максимального её значения в цилиндре, взятого за эталон (с максимальным значением тока). Высокая погрешность также обусловлена влиянием на силу тока технического состояния стартера, аккумуляторной батареи и электропроводов.

Большой потенциал к совершенствованию имеет способ, разработанный в СГТУ имени Гагарина Ю.А. [1], согласно которому о компрессионных свойствах цилиндров ДВС судят по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала (ВИУСКВ) в пределах кинематического цикла при прокручивании коленчатого вала ДВС стартером в отсутствии процесса сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах.

Суть данного способа заключается в следующем.

Принудительное вращение коленчатого вала ДВС стартером со средней угловой скоростью ? при отсутствии сгорания рабочей смеси в цилиндрах с крутящим моментом М вызывает изменение угловой скорости вала по углу его поворота (рисунок 1) из-за отклонений мгновенного значения момента сопротивления от действия компрессионных сил М_с относительно среднего его значения М_с [2, 5]

(1)

где J_п- суммарный момент инерции вращающихся и поступательно движущихся масс элементов системы «ДВС- стартер», приведенный к оси коленчатого вала.

Рисунок 1 - Изменение давления Р_С в цилиндрах, составляющих момента сопротивления М_с и угловой скорости по углу поворота коленчатого вала при прокручивании стартером

Из приведенного уравнения (1) следует, что если начальное значение угловой скорости «прикрепить» к положению коленчатого вала, соответствующему нахождению поршня первого цилиндра в ВМТ на такте сжатия, то по характерным точкам её изменения в кратных числу z цилиндров угловых интервалах (4/z) можно оценивать и сравнивать компрессионные свойства цилиндров. Свидетельство этому - баланс моментов, формирующих момент сопротивления на коленчатом валу двигателя, и расчеты их удельного влияния на показатели ВИУСКВ

(2)

где М_м - момент механических потерь от действия сил трения в подшипниках коленчатого и распределительного валов и вспомогательных механизмах (водяной, масляный и топливный насосы, генератор, вентилятор и другие);

М_н- момент, затрачиваемый на процесс газообмена в цилиндрах (насосные потери);

М_п- момент переменной составляющей сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс двигателя;

М_пр- переменный момент, затрачиваемый на преодоление сил упругости клапанных пружин;

М_цпг- момент от сил трения в сопряжениях ЦПГ;

М_к- переменный момент сопротивления от действия компрессионных сил сжатия-расширения рабочего тела Р_к.

Потери на трение в подшипниках коленчатого вала и на привод вспомогательных механизмов М_м не превышают 25% от всех механических потерь двигателя [5]. Величина М_м на заданном скоростном режиме прокручивания постоянна и не вызывает изменений угловой скорости по углу поворота коленчатого вала.

Момент потерь на газообмен М_н при малой частоте прокручивания с открытыми воздушной и дроссельной заслонками не превышает 10% от суммарных потерь М_с [5]. В пределах периода изменения Мс, влияние М_н одинаково и не зависит от того, в каких цилиндрах в данное временя осуществляются такты впуска и выпуска. Это приводит к тому, что давление рабочего тела, действующее на поршни разных цилиндров на данных тактах, незначительно отличается от атмосферного и друг друга (на 0,001…0,005 МПа [5]) в зависимости от реально возможных различий в степени герметичности их ЦПГ. Исходя из этого, влиянием М_н на показатели ВИУСКВ и М_с можно пренебречь.

Переменная составляющая момента М_п сил инерции возвратно - поступательно движущихся масс, зависящая от положения коленчатого вала, на режимах прокручивания ДВС стартером с =15…75 рад/с не превышает 2-3% [2, 5] от суммарного момента М_с и, из-за его незначительности, не учитывается далее.

Зависимостью переменной составляющей М_пр от сил упругости клапанных пружин на режиме прокрутки также можно пренебречь, так как затраты мощности на привод ГРМ не превышают 4% от суммарных механических потерь двигателя [5, 7].

Следовательно, основной переменной составляющей механических потерь ДВС являются потери на трение поршневых колец и поршней М_цпг, которые зависят от угла поворота коленчатого вала . Момент от сил трения в сопряжениях ЦПГ [5, 7]

, (3)

где Р_цпгi- сила трения в сопряжениях ЦПГ i-го цилиндра;

_i- значение угла поворота коленчатого вала i-го цилиндра с учетом фазового угла сдвига между одноименными тактами, осуществляемыми в соответствии с порядком работы цилиндров;

=R/L- отношение радиуса кривошипа R к длине шатуна L;

- угол отклонения шатуна от оси цилиндра, соответствующий _i.

Сила трения Р_цпг определяется силами взаимодействия поршневых колец Р_пк и юбки поршня Р_юп со стенками цилиндра и зависит от условий смазки, упругости колец и давления газовых сил. На установившемся режиме прокручивания коленчатого вала эти условия при скорости движения поршня в узком диапазоне 0…5 м/с и незначительной разности газовых сил в цилиндрах ДВС примерно одинаковы Р_цпгi=Р_цпг(i+1)=Р_цпгz. Таким образом, момент М_цпг является функцией только угла поворота коленчатого вала с периодом, кратным числу цилиндров (Т_Мцпг = 4/z, рисунок 1).

Известно [5], что момент сопротивления от действия компрессионных сил Р_к для i-го цилиндра с площадью поршня F_п

. (4)

В общем случае, суммарное действие компрессионных сил на среднее значение момента сопротивления М_с можно принять равным нулю (исходя из того, что затраченная кинетическая энергия на сжатие рабочего тела полностью возвращается при движении поршня от ВМТ на такте расширения). Однако влияние компрессионных сил на мгновенное значение момента сопротивления на протяжении такта сжатия в i-м цилиндре различно. Большая часть (75%) работы сил давления сжатия рабочего тела при его расширении в предыдущем (i-1)-м цилиндре приходится на первую половину такта сжатия диагностируемого i-го цилиндра, а от сил сопротивления сжатия (компрессии) - на заключительную его половину (рисунок 1). Как следствие, действие компрессионных сил в первой части такта сжатия от 0 до ₁, характеризующих такт расширения в (i-1)-м цилиндре, проявится в уменьшении М_с по отношению к его среднему значению М_с

(5)

а во второй части - от ₁ до ₂, на такте сжатия в i-м цилиндре, - в увеличении

. (6)

Колебания моментов М_м и М_к в пределах кинематического цикла ДВС (составляющие М_н, М_п, М_пр не принимаем во внимание по ранее обоснованным причинам) приводят к изменению суммарного момента сопротивления М_с и, соответственно, к изменению угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота (рисунок 1).

Исходя из вышеописанного, суммарный момент сопротивления М_С в режиме прокручивания стартером определяется моментами М_м, М_цпг и М_к, причем М_м - постоянная величина по углу поворота коленчатого вала, а М_м изменяется идентично в каждом угловом интервале, соответствующем периоду изменения М_с (Т_Мс=4/z). Единственной составляющей, способной вызвать индивидуальные внутрицикловые изменения М_с в угловых интервалах, кратных числу цилиндров ДВС, является момент компрессионных сил М_к, что и следовало доказать.

При одинаковых значениях компрессии по цилиндрам значения экстремумов _max и _min колебаний угловой скорости в пределах угловых интервалов, соответствующих тактам сжатия рабочей смеси в каждом цилиндре, будут равны, а следовательно, одинаковые их значения амплитуд А = _max - _min колебаний и избыточных работ А_изб = J_п(²_max - ²_min)/2 на участках разгона каждого цилиндра.

Снижение компрессии в одном из цилиндров ДВС вызывает уменьшение М_с и соответственно участка убывания угловой скорости. В свою очередь, сжатые газы производят меньшую работу по разгону инерционных масс ДВС на такте расширения. Эти изменения М_с отразятся на значениях экстремумов угловой скорости в интервале углов поворота, соответствующих такту расширения этого цилиндра (рисунок 2).

Так как чередование одноименных тактов по цилиндрам четырехцилиндрового ДВС происходит через 180⁰ ( рад) по углу поворота коленчатого вала, а начало измерений совпадает с ВМТ опорного I-го цилиндра в конце такта сжатия, то интервал 0- поворота коленчатого вала на диаграмме (рисунок 2) соответствует такту рабочего хода I-го цилиндра. Интервал -2 - такту рабочего хода III цилиндра и так далее по порядку работы цилиндров. Привязка угловых интервалов изменения именно к тактам рабочего хода соответствующих цилиндров обусловлена действием на этом такте компрессионной силы Р_с, которая, как следует из анализа составляющих момента сопротивления (1), определяет характер изменения М_с и, соответственно, внутрицикловой угловой скорости по углу поворота коленчатого вала = f().

Рисунок 2 - Изменение скорости по углу коленчатого вала при прокручивании стартером четырехцилиндрового ДВС с уменьшенной компрессией в IV цилиндре: I…IV - номера цилиндров; _{IV max}, _{IV min} -экстремумы угловой скорости для IV цилиндра

По внутрицикловой характеристике изменения угловой скорости коленчатого вала определяют следующие показатели компрессионных свойств цилиндров:

относительную их неравномерность как отношение разности между максимальным и минимальным значениями одноименных экстремумов угловой скорости (_max либо _min) к её среднему значению

 (7)

где , - соответственно максимальное и минимальное значения одноименных экстремумов угловой скорости в пределах кинематического цикла ДВС;

для отдельных цилиндров - по значениям амплитуд А колебаний угловой скорости или избыточных работ А_изб [1] на участках разгона в пределах угла поворота коленчатого вала, соответствующих их такту сжатия рабочей смеси.

Точность рассмотренного бестормозного, динамического метода определения технического состояния КШМ по компрессионным свойствам цилиндров выше других перечисленных способов, так как диагностирование осуществляется за два оборота коленчатого вала - при более стабильных частотах вращения и тепловых состояниях деталей ЦПГ. Но и для этого способа диагностирования присущи недостатки, понижающие достоверность диагноза:

не стабильная частота прокрутки коленчатого вала стартером - её зависимость от зарядки аккумулятора и состояния стартера. Как указывалось ранее, значение компрессии в цилиндрах ДВС зависит от частоты п вращения коленчатого вала. С увеличением п повышается температура внутрицилиндровых газов и сокращается время утечек газов из цилиндра, что увеличивает компрессию. Поэтому, чем ниже частота прокрутки ДВС стартером, тем менее точны показатели компрессии относительно истинных её значений;

имеется методическая погрешность измерения значений мгновенных угловых скоростей коленчатого вала из-за наличия гармоник высокочастотных колебаний вращающихся частей ДВС в режиме прокрутки от динамического взаимодействия зубьев стартера с венцом маховика двигателя (рисунок 3), подробно рассмотренная в работе [1].

С целью исключить данные недостатки и, тем самым, повысить точность определения технического состояния ЦПГ, предлагается осуществлять измерения ВИУСКВ при работе ДВС на одном цилиндре с отключенными остальными путем прекращения подачи топлива или исключения искрообразования в свечах зажигания.

Рисунок 3 - Диаграмма мгновенных значений угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота при прокручивании стартером 4-х цилиндрового ДВС:

1 - исходная; 2 - аппроксимирующая кривая (по методу наименьших квадратов)

Благодаря запасённой кинетической энергии вращающихся и возвратно-поступательно движущихся элементов ДВС от работающего цилиндра, значения мгновенных угловых скоростей коленчатого вала по углу его поворота плавно изменяются (рисунок 4), в наибольшей степени соответствуют их действительным значениям. Поскольку частота вращения коленчатого вала при выбеге находится в пределах 50…80 рад/с, то точность определения компрессионных свойств цилиндров повышается относительно рассмотренного способа.

Рисунок 4. Изменение угловой скорости щ коленчатого вала по углу ц его поворота при работе ДВС 4Ч 9,2/9,2 на одном цилиндре с отключенными остальными:

По полученным зависимостям = f(), сравнивая их друг с другом по диагностическим параметрам А_{изб. р} , Ар_i/Ав_i в соответствующих угловых интервалах поворота коленчатого вала, оценивают компрессионные свойства конкретных цилиндров (на диаграмме рис. 4 интервалы р…2р и 2р…3р изменения угловых скоростей соответствуют работы компрессионных сил III и IV цилиндров. Значение экстремумов угловых скоростей _???????? и _???????? для диагностических параметров определяются по значениям углов поворота коленчатого вала ??₁, ??₂, соответствующим фактическим диапазонам тактов сжатия-расширения в цилиндрах с учетом фаз газораспределения конкретной модели ДВС.

Общая методология нового способа поэлементного диагностирования КШМ с использованием измерителя мощностных параметров ДВС [1] представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Общая методология поэлементного диагностирования ДВС

Разработанный бестормозной способ обеспечивает высокую точность поэлементного диагностирования ДВС и может быть использован в унифицированной бортовой диагностики автомобилей, имеющих электронные системы отключения цилиндров из работы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

контроль кривошипный шатунный коленвал

1. Гребенников А. С. Диагностирование автотракторных двигателей динамическим методом / А. С. Гребенников. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. - 196 с.

2. Мирошников Л.В., Болдин А.П., Пал В.И. и др. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях - М.: Транспорт, 1977 - 263 с.

3. Кривцова Т.И. Совершенствование метода диагностирования компрессионных свойств дизельных двигателей тракторов и автомобилей сельскохозяйственного назначения по характеристикам стартерного тока: дисс. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Т.И. Кривцова. -Иркутск: ИРНИТУ. 2011. - 153 с.

4. Ларин О.Н. Результаты диагностирования цилиндропоршневой группы способом оценки динамической компрессии / Ларин О.Н., Куков С.С., Гриценко А.В., Глемба К.В. // АПК России. 2016. - Т. 23. - № 3. - С. 619-625.

5. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Кн. 2 Динамика и конструирование / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.- М.: Высш. шк., 2005. - 400 с.

6. Техническая эксплуатация автомобилей. / Под ред. Е.С. Кузнецова.- М.: Наука, 2001. -535 с.

7. Техническое обеспечение измерительных экспертных систем машин и механизмов в АПК [Текст] / В.В. Альт, И.П. Добролюбов, О.Ф. Савченко, С.Н. Ольшевский // Под ред. В.В. Альта. - Новосибирск: ГНУ СибФТИ. 2013. - 523 с.

Размещено на Allbest.ru