ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО РАЗНОСТИ РАСХОДОВ ВОЗДУХА НА ВПУСКЕ И ВЫПУСКЕ В ПУСКОВОМ

Для измерения расходов воздуха на входе и выходе из цилиндров двигателя использовались два расходомера термоанемометрического действия (датчики массового расхода воздуха ДМРВ-М) с их предварительной тарировкой и использованием специального лабораторного оборудования. Частота прокрутки коленчатого вала измерялась индуктивным датчиком легкового автомобиля ВАЗ 2110 см. рис.3. Сигналы от датчиков подаются к электронному блоку управления ЭБУ персонального компьютера (ПК), в который установлена плата (pci L 1711), работающая по принципу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). С помощью программного обеспечения производилась регистрация и обработка поступающих данных, которые выводились на блок индикации (БИ) персонального компьютера. В качестве БИ выступал монитор, подключенный к ПК.

Исследования способа оценки технического состояния осуществляется следующим образом: к испытуемому двигателю 1 подсоединяли выше перечисленные устройства снятия сигналов. В форсуночные отверстия цилиндров двигателя устанавливались, с помощью специально разработанного приспособления, калибровочные шайбы одинаковой неплотности. Изменения относительной неплотностей ЦПГ производились сменой калибровочных шайб с заданной пропускной способностью. С помощью пускового устройства прокручивали коленчатый вал двигателя с заданной частотой прокрутки с отключением подачи топлива в цилиндры двигателя.

Рис. 3 – Схема для реализации способа

Рис. 4 – Имитация изменения технического состояния ЦПГ

1 – запорный клапан; 2 – калибровочная шайба; 3 – форсунка двигателя; 4 – калибровочное отверстие (имитация относительной неплотности ЦПГ).

При проведении экспериментальных исследований необходимо было измерять и регистрировать следующие параметры:

- частоту прокрутки коленчатого вала;

- разность расходов воздуха на тактах впуска и выпуска;

- относительную неплотность ЦПГ.

Исследования проводились по плану полного факторного эксперимента. Для оценки всех коэффициентов полинома второй степени, в силу небольшого числа факторов, проводим исследования по плану полного факторного эксперимента, в котором две переменные варьируются на трёх уровнях. В качестве факторов были выбраны: частота прокрутки коленчатого вала и относительная неплотность ЦПГ.

На основании экспериментальных исследований при оценке технического состояния цилиндро-поршневой группы и камеры сгорания предложенным способом, сделан вывод о том, что для получения максимальной чистоты опытов необходимо обеспечить частоту прокрутки коленчатого вала равными 200 об/мин.

С целью исключения дополнительных ошибок измерительная аппаратура калибровалась до и после каждой серии опытов по уровням неплотности.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме без подачи топлива, их анализ и выводы, а также разработанная технология оценки технического состояния ЦПГ.

Эксперименты проводились как в лабораторных, так и производственных условиях. Лабораторные исследования проводились в соответствии с вышеизложенной методикой на двигателе модели Д-240.

По итогам результатов лабораторного эксперимента получена зависимость, которая отражает высказанное в гипотезе предположение о том, что величина разности расходов воздуха на впуске и выпуске может быть использована для оценки технического состояния цилиндропоршневой группы. Предположение о существовании линейной связи между выбранной функцией отклика и величиной относительной неплотности получило подтверждение (рис.5, 6).

Рис. 5 – Влияние неплотности на диагностические параметры двигателя Д-240

– для разности расходов воздуха;

– для давления конца сжатия.

Из графика видно, что значение величины разности расходов воздуха равные 10, 35 и 45 л/м соответственно, соответствуют номинальному, допустимому и предельному техническому состоянию ЦПГ.

По полученным результатам экспериментальных исследований, получили зависимости разрешающей способности предлагаемого способа, и способа по давлению конца сжатия (рис.7).

Рис. 7 – Оценка способов Q и Рс от величины неплотности

– для разности расходов воздуха;

– для давления конца сжатия.

Из графика видно, что оценка технического состояния цилиндропоршневой группы по разности расходов воздуха несет в себе большую информативность, чем базовый способ (при неплотности 8,5мм2 по отношению величины разности расходов значение равно 3,3, а по давлению конца сжатия 1,8).

Целью обработки экспериментальных данных является получение функциональной зависимости . Для построения математической модели использовался регрессионный анализ. Экспериментальные данные предварительно аппроксимировались функцией вида: у = b0 + b1 X1.+ b2 X2 + b3 X12.+ b4 X22 + b5 X1 X2, где под X1 подразумевается n и под X2 – S.

Значимость коэффициентов проверяли по - критерию Стьюдента. Адекватность полученных зависимостей оценивались коэффициентами Фишера. В работе после исключения незначимых коэффициентов получена регрессионная зависимость, отражающая связь функции отклика с исследуемыми факторами, которая имеет вид (рис.8):

где – разность расходов воздуха;

– функция давления конца сжатия по разности расходов;

– скорость прокрутки коленчатого вала;

– неплотность ЦПГ

Рис. 8 – Зависимость разности расходов воздуха от величины неплотности

Регрессионный анализ экспериментальных данных подтвердил предположение о возможности оценивать техническое состояния ЦПГ по разности расходов воздуха, высказанное в гипотезе исследования.

Результаты лабораторных исследований проверялись в производственных условиях, последовательно используя базовый (по давлению конца сжатия) и предлагаемый способы на одном и том же двигателе и последующим сравнением полученных результатов.

Производственные испытания состояния цилиндропоршневой группы проводили на станции технического обслуживания СТО ООО «СибирьДизельСервис», непосредственно занимающейся диагностированием мобильной техники, в т.ч. ДВС. Оценка технического состояния ЦПГ проводилась на двигателях автомобилей, поступавших на диагностику ДВС. Результаты сравнительных исследований представлены на рис. 9. На нем двигатели 1-й группы имеют номинальное техническое состояние ЦПГ, двигатели 2-йгруппы – завышенную величину разности расходов воздуха (отклонение от нормальной величины составляет 15 – 20%, допустимое техническое состояние ЦПГ), а 3-я группа – предельное техническое состояние по параметру неплотности ЦПГ.

Рис. 9 – Результаты производственных испытаний

Как видно из гистограмм рисунка, оценка технического состояния ЦПГ может быть произведена любым из рассматриваемых способов. Вместе с тем, предлагаемый способ из-за меньшей трудоемкости и приемлемой точности более предпочтителен.

Таким образом, можно предположить, что данный способ оценки технического состояния ЦПГ может иметь большие перспективы, если будут расширены его диагностические возможности для различных марок дизельных двигателей.

Для этой цели были предложены поправочные коэффициенты, рассчитываемые следующим образом.

1. Поправка разности расходов воздуха по геометрическим размерам гильзы цилиндра.

, (19)

где – разность расходов воздуха для проверяемого двигателя;

– коэффициент поправки по диаметру гильзы цилиндра.

Коэффициент для двигателей с монтажным зазором в ЦПГ, равным величине базового двигателя, рассчитывается по формуле:

, (20)

где – диаметр гильзы цилиндра проверяемого двигателя;

– диаметр гильзы цилиндра базового двигателя.

Для двигателей с другим монтажным зазором – по следующей формуле:

, (21)

где – величина монтажного зазора проверяемого двигателя;

– величина монтажного зазора базового двигателя.

2. Поправка по частоте прокрутки коленчатого вала.

, (22)

где – поправочный коэффициент, определяемый либо по графику (рис. 9, ось абсцисс), либо в зависимости от частоты прокрутки коленчатого вала проверяемого двигателя по формуле.

(23)

где – отношение базовой частоты прокрутки коленчатого вала к частоте прокрутки проверяемого двигателя.

Рис.9– К определению поправочного коэффициента

3. Поправка по геометрической степени сжатия (нормативные значения)

, (24)

где – поправочный коэффициент по степени сжатия, определяющийся по следующей формуле:

, (25)

где – степень сжатия проверяемого двигателя;

– степень сжатия базового двигателя;

– показатель политропы сжатия.

Разброс геометрической степени сжатия двигателей одного класса находится в пределах 15-16,5. Расчетами показано, что без корректировки погрешность измерения не превышает 2,5%.

В соответствии с целью работы, на основании выдвинутой гипотезы результатами теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена возможность создания способа диагностирования двигателей, обеспечивающего достаточную для практики эксплуатации точность и сравнительно низкую трудоемкость. В связи с этим была разработана технология диагностирования ЦПГ на основе разработанного способа. Ниже приведена общая схема технологии (рис. 11) и выполняемые операции при оценке технического состояния ЦПГ.

Рис.–11 Общая схема последовательности оценки технического состояния ЦПГ

1. Подготовить приборы к измерениям:

а) произвести тестирование измерительных устройств датчиков массового расхода воздуха (ДМРВ) с помощью эталонного ДМРВ;

б) включить персональный компьютер и запустить программное обеспечение, включающее в себя расчетные формулы (19-25), корректирующие базовое значение разности расходов воздуха;

в) ввести в окно открывшейся программы нормативные данные проверяемого двигателя (диаметр гильзы цилиндра, степень сжатия, частоту вращения коленчатого вала на пусковом режиме).

2. Подготовить двигатель к диагностированию:

а) прогреть двигатель до рабочего теплового режима;

б) во время прогрева проверить герметичность во впускном и выпускном трактах двигателя. При их наличии – устранить;

в) снять воздушный фильтр с двигателя;

г) отсоединить глушитель от выпускной трубы.

3. Установить ДМРВ к впускному и выпускному трактам двигателя, обеспечив герметичность соединения,

4. Установить индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя.

5. Подключить измерительные устройства к ЭБУ ПК

6. Выключить подачу топлива основного двигателя.

7. Прокрутить двигатель в пусковом режиме в течении 10 сек.

8. Сравнить измеренное значение разности расходов воздуха с нормативным и дать заключение о техническом состоянии ЦПГ.

9. Установить на двигатель воздушный фильтр и глушитель.

РЕКОМЕНДАЦИИ: при отклонении величины разности расходов от нормативного значения, двигатель направляют в ремонт для устранения неисправностей.

Данная технология внедрена на одной из станций технического обслуживания города Новосибирска. Получен акт о внедрении.

Экономический эффект от предложенной технологии достигается за счет сокращения продолжительности постановки диагноза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Несвоевременный контроль технического состояния ЦПГ обуславливает работу двигателя с пониженной экономичностью и экологической безопасностью, ухудшает пусковые качества двигателя. Одной из причин такого положения является недостаточная обеспеченность в сфере использования средствами оперативного контроля, ограниченностью результатов научных исследований в данном направлении. Изложенное предопределяет необходимость дальнейших исследований совершенствованию способов и средств контроля технического состояния ЦПГ двигателей.

2. Установлено влияние неплотности ЦПГ на величину разности расходов воздуха на впуске и выпуске при работе двигателя в пусковом режиме. Последнее дает основание использовать разность расходов воздуха на впуске и выпуске в качестве диагностического параметра.

3. Разработан способ оценки технического состояния ЦПГ для дизельных двигателей при работе их в пусковом режиме по разности расходов воздуха на впуске и выпуске, измеряемые с помощью термоанемометрических датчиков массового расходов воздуха. Измеренные параметры подаются на вход компьютера с одновременной регистрацией скорости прокрутки двигателя. Новизна способа защищена патентом РФ (Пат.2336513).

4. Разработана регрессионная модель, характеризующая зависимость разности расходов воздуха от величины относительной неплотности и скорости прокрутки при оценке технического состояния ЦПГ. Модель позволяет оценивать величину разности расходов воздуха в зависимости от неплотности с погрешностью, не превышающей 5%.

5. Трудоемкость оценки технического состояния ЦПГ по предложенной технологии в 4–5 раз меньше в сравнении с базовой за счет резкого сокращения вспомогательных операций. Технология ориентирована на реализацию в условиях эксплуатации.

6. Разработана технология оценки технического состояния, включающая такие операции, как: подготовка двигателя и измерительных средств к диагностированию, ввод в компьютер нормативных значений проверяемого двигателя (диаметр цилиндра, степень сжатия, частота вращения коленчатого вала при пуске) для корректировки измеряемого значения, измерение разности расходов воздуха и сравнение его с нормативным значением с последующей оценкой технического состояния ЦПГ двигателя.

7. Экономический эффект от предложенной технологии достигается за счет сокращения продолжительности операции диагноза. Ожидаемая экономия от снижения затрат при диагностировании четырех цилиндрового двигателя составит 644 рубля за одно проведенное диагностирование.

Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Воронин Д.М. Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания. / Д.М. Воронин, А.Ю. Понизовский // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – №2. – С. 26-27.

Публикации в описаниях на изобретения, сборниках научных трудов

2. Понизовский А.Ю. Контроль технического состояния цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания по разности расхода воздуха / Д.М. Воронин, А.А. Малышко, А.Ю. Понизовский // Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири: Научно-практическая конференция, посвященная 100-ю со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова. – Новосибирск: ГНУ СибИМЭ, 2008. – С. 114-118.

3. Понизовский А.Ю. Разрешающая способность способа контроля технического состояния цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по разности расходов воздуха / А.Ю. Понизовский // VI межрегиональная научно-практическая конференция. – Барнаул: Алтайский ГАУ, 2008. – С. 99-101.

4. Понизовский А.Ю. Определение величины утечек воздуха в зависимости от степени изношенности цилиндропоршневой группы / А.Ю. Понизовский // Материалы ежегодной научно-практической конференции студентов и аспирантов Инженерного института. – Новосибирск: НГАУ ИИ, 2008. – С. 118-119.

5. Пат. 2336513 Российская Федерация, МПК G01M 15/00. Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания / Д.М. Воронин, А.Ю. Понизовский, А.А. Малышко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Новосибирский гос. аграр. универ. Инж. ин-т; заявл. 24.10.06; опубл. 20.10.2008, Бюл. №29. – 6 с.

6. Понизовский А.Ю. Анализ основных инструментальных способов контроля состояния цилиндропоршневой группы / А.Ю. Понизовский // Современные и перспективные технологии в АПК Сибири: Научно-практическая конференция. Тезисы докладов. – Новосибирск: НГАУ, 2006. – С. 123-124.

7. Понизовский А.Ю. Контроль технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания. / А.Ю. Понизовский // Материалы научно-практической конференции Инженерного института. – Новосибирск: ИИ, 2009. – Ч. 1. – С. 35-37.