CC BY
127
УДК 621.43.018.2
С.А. Гребенников, М.Г. Петров, А.С. Гребенников
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ВНУТРИЦИКЛОВЫМ ИЗМЕНЕНИЯМ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
Предложен способ повышения точности диагностирования механизма газораспределения по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала, основанный на выделении и измерении составляющей механического трения в элементах механизма газораспределения в суммарном моменте механических потерь двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при прокручивании коленчатого двигателем, работающим в режиме холостого хода на одном цилиндре с декомпрессированными остальными.
Двигатель внутреннего сгорания, суммарный момент, составляющие механических потерь, механизм газораспределения, диагностирование
S.A. Grebennikov, М^. Petrov, A.S. Grebennikov
PRECISION INCREASE OF ENGINE GAS-DISTRIBUTING MECHANISM DIAGNOSING ON CRANKSHAFT TRANSANNULAR ANGULAR
VELOCITY CHANGES
The method of increase precision of gas-distributing mechanism elements diagnosing on crankshaft transannular angular velocity changes at turning by a starter and also engine function on one cylinder, based on allocation of a component of mechanical friction in gas-distributing mechanism elements in the total moment of mechanical losses is proposed.
Engine, total moment, mechanical losses component, gas-distributing mechanism, diagnosing
Механизм газораспределения (МГР) современного автотракторного ДВС является одним из ключевых устройств, функциональное назначение и конструкция которого во многом предопределяют технический уровень и потребительские свойства ДВС. Работа его элементов осуществляется в условиях высоких динамических нагрузок, тепловых и коррозионных воздействий. На долю МГР приходится более 25% отказов и неисправностей, свыше 7% суммарной трудоёмкости технического обслуживания и ремонта по ДВС [1, 2].
Эффективность работы МГР определяется износостойкостью деталей и неразрывностью их кинематических связей, герметичностью сопряжений «седло -клапан», параметрами «время - сечение» клапанов и мощностью, затрачиваемой на его привод. Считается, что снижение механических потерь на привод МГР является одним из возможных путей экономии топлива [4].
Степень соответствия реальной диаграммы «время -сечение» требуемой зависит от значений фаз начала открытия-закрытия клапанов и максимального хода их подъёма, которые в основном определяются износами профиля кулачков распределительного вала.
49
Уменьшение параметра «время - сечение» впускных или выпускных клапанов снижает эффективные, экономические и экологические показатели работы двигателя. Например, при износе кулачков распределительного вала на 0,5...0,9 мм эффективная мощность двигателей ЗМЗ 4Ч 9,2/9,2 снижается на 3.7%, а расход топлива и негативное воздействие отработавших газов на окружающую среду увеличиваются на 4% [3].
Именно контроль параметров технического состояния кулачков распределительного вала, фаз открытия-закрытия клапанов и мощности механических потерь в МГР современных высокооборотных ДВС, имеющих клапанные пружины повышенной жесткости и значительные контактные нагрузки в кулачковых парах, относят к наиболее важным операциям при доводочных испытаниях ДВС и диагностировании его технического состояния в процессе эксплуатации. Использование для этих целей известных средств для диагностирования МГР, использующих в качестве диагностических параметров виброакустические показатели, пульсации давлений газовых потоков во впускном и выпускном коллекторах или непосредственно в цилиндрах при работе ДВС, малоэффективно из-за низкой точности и недостаточной их информативности. По этой причине многие автотранспортные средства эксплуатируются с неисправностями МГР, то есть с более низкими технико-эксплуатационными показателями.
В Саратовском государственном техническом университете разработаны способы диагностирования ДВС, позволяющие идентифицировать техническое состояние отдельных звеньев МГР [2, 6]. В качестве диагностических параметров используются показатели внутрицикловой неравномерности угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота. Способы диагностирования МГР реализуются электронными средствами, встроенными в конструкцию ДВС, и основаны на зависимости значения момента сопротивления на распределительном и коленчатом валах от технического состояния элементов МГР.
Известно, что доля затрат энергии на привод газораспределительного механизма и вспомогательного оборудования достигает 14% на номинальном режиме работы и мало изменяется по абсолютной величине с уменьшением нагрузки ДВС (таблица). При этом с уменьшением нагрузки относительная величина составляющей мощности механических потерь на привод МГР увеличивается и для современных двигателей, работающих в режиме холостого хода, составляет 5.10% от суммарной мощности его потерь на трение.
Удельный вес мощности механических потерь, затрачиваемой на привод МГР, существенно увеличивается при использовании режима прокручивания коленчатого вала стартером ДВС с декомпрессированными цилиндрами (без свеч зажигания или форсунок). При этом переменный по углу ф поворота коленчатого вала момент механических потерь Ммех ф определяется составляющими
где ММ - момент от действия сил трения в подшипниках коленчатого вала и приводах вспомогательных механизмов; МцПГ ф - момент от сил трения в сопряжениях ЦПГ; ММГР ф - момент, затрачиваемый на привод МГР; МП ф - момент от возвратнопоступательно движущихся частей ДВС.
(1)
Составляющие мощности механических потерь в бензиновых ДВС [5]
Среднее давление различных видов механических потерь в двигателях с искровым зажиганием, МПа
Потери
(%)
при 100%-й нагрузке
при 50%-й нагрузке
Насосные (на газообмен)
0,025 (19,4)
0,043 (31,6)
В приводе механизмов
0,0179 (13,9)
0,0179 (13,2)
газораспределения и вспомогательного оборудования
В кривошипно-шатунном механизме 0,0287 (22,2) 0,0251 (18,4)
В цилиндропоршневой группе 0,0574 (44,5) 0,05 (36,8)
Итого 0,129 (100) 0,136 (100)
Среднее эффективное давление 0,933 0,280
Механический КПД, % 87,8 67,3
Так как в (1) отсутствуют достаточно значимые составляющие от действия компрессионных сил и насосных потерь, то повышается точность измерения среднего момента механических потерь ММГР на привод МГР за счет увеличения относительной его доли в суммарном моменте Ммех ф.
Определение MМГР осуществляется в следующей последовательности. Сначала на декомпрессированном ДВС в режиме прокручивания коленчатого вала стартером измеряют среднее значение механических потерь Ммех ф с работой привода МГР, а затем -с отключенным приводом Ммех без МГР, тогда
M = M -M . (2)
МГР мех ф мех без МГР 4 7
Отключение привода МГР на двигателе осуществляется снятием ремня (цепи) при их наличии; при других типах приводов - установкой значений «тепловых» зазоров между торцами стержней клапанов и нажимными концами коромысел, превышающих величину хода подъема клапана (для двигателей 4Ч 9,2/9,2 - 9,5 мм).
По значению момента ММГР определяют степень совершенства конструкции МГР и его общее техническое состояние в процессе эксплуатации ДВС.
Поэлементное диагностирование МГР разработанным способом осуществляется по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала, так как взаимосвязь момента Ммех ф механических потерь двигателя с угловой скоростью ю коленчатого вала по углу его поворота определяется уравнением динамики ДВС в соответствии с принципом Д'Аламбера [2]
т dю dJ ю2
Ммех ф= Лю—+ — • —, (3)
dф dф 2
где Л - значение момента инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала.
Для определения степени влияния технического состояния отдельных элементов МГР на величину и характер изменения суммарного момента механических потерь ДВС были выполнены экспериментальные исследования на бензиновых двигателях 4Ч 9,2/9,2. Зависимости угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота при прокручивании стартером декомпрессированного двигателя с заранее известными неисправностями в элементах МГР (износ профиля кулачков распределительного вала, увеличенных и уменьшенных значений «тепловых» зазоров в приводе клапанов, жесткости клапанных пружин) определялись с помощью разработанного цифрового электронного устройства [2]. По результатам выполненных аналитических и экспериментальных исследований установлено:
- абсолютные величины момента ММГР ф, затрачиваемого на привод механизма газораспределения, по сравнению с другими составляющими (1) на 65.70% определяют суммарное мгновенное значение механических потерь, формирующих амплитуду переменного момента Ммех ф механических потерь на коленчатом валу декомпрессированного двигателя при его прокрутке, и на 100% - фазовые сдвиги его экстремумов. За значения фаз экстремумов момента Ммех ф механических потерь принимают интервалы угла поворота коленчатого вала от положений, соответствующих нахождению поршня конкретного цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ), до
51
положений, соответствующих значениям минимального или максимального момента, определенных на участках его изменения при осуществлении полного такта расширения в этом цилиндре;
- учитывая, что 90% механических потерь от значения момента ММГР j приходится на потери от действия сил трения в кулачковых парах [4], то показатели изменения момента Ммех j механических потерь двигателя по углу поворота коленчатого вала, соответствующие периоду осуществления такта расширения в декомпрессированном цилиндре, характеризуют значения износа кулачков распределительного вала - пар впускных и выпускных клапанов, работающих в данном интервале угла поворота коленчатого вала. Так как по статистике известно, что в процессе эксплуатации ДВС предельного износа достигают один, максимум два кулачка распределительного вала, то при диагностировании механизма газораспределения в случае определения недопустимого изменения амплитуды А колебаний момента Ммех j и фазовых сдвигов его экстремумов в отдельных периодах угла поворота коленчатого вала, соответствующих осуществлению такта расширения в конкретном декомпрессированном цилиндре, делают заключение о неработоспособности звеньев механизма газораспределения по причинам износа кулачков распределительного вала, увеличенных тепловых зазоров между толкателями клапанов и коромыслом, потери жесткости клапанными пружинами;
- если диаграмма изменения суммарного момента Ммех j механических потерь по углу поворота коленчатого вала за кинематический цикл имеет характерную особенность -одинаковые по значениям приращения сдвига фаз экстремумов относительно номинальных их значений во всех периодах его изменения, то делают заключение о нарушенных фазах газораспределения МГР. В процессе эксплуатации изменение фаз газораспределения возможно по причинам нарушенных кинематических связей в элементах механизма привода распределительного вала, погрешностей при изготовлении его деталей в процессе производства или вследствие неквалифицированно проведенного текущего ремонта ДВС. При этом положение распределительного вала смещается на некоторый угол, значение которого одинаково для всех его кулачков. Оценку состояния фаз газораспределения по результатам диагностирования осуществляют по измеренным значениям приращений угловых интервалов Дф фазовых сдвигов экстремумов относительно их нормативных значений в каждом периоде изменения Ммех j, соответствующих осуществлению такта расширения в декомпрессированных цилиндрах ДВС.
Таким образом, доказано, что отклонение показателей технического состояния элементов механизма газораспределения от нормативных их значений при прокрутке коленчатого вала двигателя с декомпрессированными цилиндрами приводит к адекватному изменению величин амплитуд А и фазовых сдвигов j экстремальных его значений на диаграмме зависимости момента Ммех j механических потерь в интервалах угла поворота коленчатого вала, относящихся к неисправным клапанным звеньям механизма газораспределения.
На рис. 1 графически отображена функциональная взаимосвязь (3) момента механических потерь с угловой скоростью коленчатого вала, в частности показано, как при увеличении зазора в приводе одного из клапанов изменяются соответствующие показатели амплитуд А и фазовых положений экстремумов jmax и jmin.
Результаты экспериментальных исследований, выполненных на других моделях ДВС, также подтвердили вывод, что показатели изменения угловой скорости по амплитуде Аа и фазовому положению её экстремумов jw max и j w min зависят только от технического состояния кулачков распределительного вала и фаз газораспределения МГР и обладают всеми свойствами, характеризующими их как диагностические параметры.
Рис. 1. Изменение составляющей момента сопротивления Ммгр на привод МГР и угловой скорости
ш
по углу поворота ф коленчатого вала при прокручивании декомпрессированного четырехцилиндрового ДВС стартером с исправным (—) и изношенным (—) МГР
Однако разработанные способы имеют достаточную точность только в случае их реализации в автотракторных ДВС, имеющих не более 4 цилиндров [2]. Основная причина - наличие операции прокручивания коленчатого вала декомпрессированного двигателя стартером. Из-за динамического взаимодействия (соударений) зубьев ведущей шестерни стартера с зубчатым венцом маховика полученная электронным тахометром диаграмма изменений угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота представляет собой цепь высокочастотных пикообразных колебаний угловой скорости относительно действительных их значений. Наложение высокочастотной составляющей на низкочастотную составляющую изменения угловой скорости коленчатого вала искажает реальный закон её изменения. Учитывая, что в процессе эксплуатации двигателя техническое состояние зубчатого зацепления «стартер - венец маховика» постоянно ухудшается, следовательно, и погрешность определения значений амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости с увеличением наработки двигателя будет также увеличиваться.
На рис. 2 показана реальная диаграмма изменения угловой скорости коленчатого вала при прокрутке декомпрессированного ДВС стартером. Данный режим прокрутки характеризуется «пилообразностью» изменения угловой скорости, в котором явно прослеживаются зависимости зацепления шестерни стартера (9 зубьев) с зубчатым венцом маховика двигателя.
Рис. 2. Диаграмма изменения угловой скорости ш коленчатого вала по углу ф его поворота при прокрутке стартером декомпрессированного ДВС
Для исключения «пилообразности» изменения угловой скорости по углу поворота предлагается осуществлять прокрутку коленчатого вала при работе ДВС на одном цилиндре с декомпрессированными остальными цилиндрами. При этом исключается погрешность, вносимая динамическим взаимодействием внешнего приводного устройства
- стартера - с зубчатым венцом маховика двигателя. В результате естественного вращения коленчатого вала за счет запасённой кинетической энергии от работающего цилиндра измеренные значения мгновенных угловых скоростей коленчатого вала по углу его поворота в интервалах я...2я и 2тс...3тс, соответствующих тактам расширения в декомпрессированных цилиндрах, в наибольшей степени соответствуют их реальным значениям (рис. 3).
70
СО,
рад/с
60
55
50
45
40
35
30
25
20
соср= 50,73рад/с
2 к
о, рад
471
Рис. 3. Изменение угловой скорости ш коленчатого вала по углу ф его поворота при работе на одном цилиндре двигателя 4Ч 9,2/9,2 и декомпрессированы^ остальных
Сравнение экспериментальных данных изменения мгновенных значений угловой скорости коленчатого вала на исследуемых интервалах р.2р и 2р.Зр угла его поворота, полученных разными способами (см. рис. 2 и 3), показало, что при предлагаемом способе измерения угловых скоростей неравномерность внутрицикловых изменений их мгновенных значений уменьшилась более чем на 70%, соответственно увеличилась точность определения фаз экстремумов угловой скорости, абсолютная погрешность значения которой не превышает 1,5°.
Таким образом, полученные предлагаемым способом диагностические показатели -амплитуды и фазы экстремумов угловой скорости - будут более точными и не зависящими от технического состояния зубчатого зацепления «стартер - венец маховика». Как показали результаты экспериментальных исследований, достигнутый положительный эффект позволил не только повысить достоверность известного способа диагностирования МГР применительно для 4-цилиндровых ДВС, но и применить его для 6-цилиндровых ДВС.
Для двигателя 4Ч 9,2/9,2 по результатам выполненной работы разработаны и внедрены алгоритм и нормативы параметров общего и поэлементного диагностирования МГР в технологию бесстендового диагностирования ДВС динамическими методами [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев А.В. Синтез характеристик газораспределения поршневого двигателя / А.В. Васильев. Волгоград: ВолгГТУ, 2006. 344 с.
2. Гребенников А.С. Диагностирование автотракторных двигателей динамическим методом / А.С. Гребенников. Саратов: СГТУ, 2002. 196 с.
3. Желобов Л.А. Влияние износа механизма газораспределения на выходные показатели двигателя / Л. А. Желобов, Ю.М. Панов // Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов и автомобилей и использования машинотракторного парка: сб. науч. тр. / Горьк. сельскохоз. ин-т. Горький, 1986. С. 3-9.
4. Комарова Н.И. Потери мощности в механизмах газораспределения / Н.И. Комарова, Л.В. Корчемный // Автомобильная промышленность. 1990. № 9. С. 12-13.
5. Некоторые пути совершенствования отечественных ДВС / В.Г. Некрасов // Автомобильная промышленность. 2006. № 10. С. 9-12.
6. Пат. № 2386941, РФ, МКИ О 01 М 15/00. Способ определения составляющих
мощности механических потерь ДВС / А.С. Гребенников, С.А. Гребенников,
А.В. Косарева, М.Г. Петров, В.В. Фокин // Опубл. в Б.И. 2010. № 11.
Гребенников Сергей Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета
Петров Максим Геннадьевич -
аспирант кафедры
«Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Гребенников Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Grebennikov Sergey Aleksandrovich -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of «Cars and Engines» of Saratov State Technical University
Petrov Maksim Gennadiyevich -
Post-graduate Student of the Department of «Cars and Automobile Facilities» of Saratov State Technical University
Grebennikov Aleksandr Sergeyevich -
Doctor of Technical Sciences,
Professor of the Department of «Cars and Automobile Facilities» of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 27.07.10, принята к опубликованию 30.11.10
55
