Диагностика технического состояния двигателя
Общее диагностирование двигателя производят на основе:
данных о пробеге с начала эксплуатации, после ремонта, о видах ранее выполненных ремонтов, информации водителя о работе двигателя;
субъективной визуальной проверки герметичности соединений дымности выхлопа, стуков и шумов, устойчивости его работы на разных режимах;
мощностных и экономических показателей при испытании на динамометрическом (нагрузочном) стенде.
Общее состояние и состояние систем оценивают по величине мощности, легкости пуска, бесперебойности работы, дымлению. О мощности судят по ускорению коленчатого вала без нагрузки на оборотах, близких к максимальным при полном дросселе. При бесперебойной работе двигателя частота вращения коленча
того вала падает одинаково при любом неработающем цилиндре.
. Электрическим нагрузочным устройством является асинхронный электродвигатель, статор которого опирается на шариковые подшипники и может вращаться около своей оси. Ротор такого нагрузочного устройства через редуктор соединяется с беговыми барабанами. При работе двигателя и включенной коробке передач вращаются беговые барабаны и соединенный с ними ротор электродвигателя; электродвигатель начинает работать в режиме генератора. Изменяя в электрической цепи генератора величину сопротивления, изменяют нагрузку на ведущие колеса автомобиля. При этом изменяется и возникающий на статоре реактивный момент, статор поворачивается вокруг своей оси на соответствующий угол. С помощью весового устройства можно измерить величину реактивного момента. При этом беговые барабаны ведущих колес автомобиля соединены муфтой. При недостаточной мощности двигателя следует, прежде всего, проверить системы питания и зажигания.
Давление и вакуум, создаваемые топливным насосом, измеряют мановакуумметром. Неисправность системы питания устанавливают с помощью газоанализатора по анализу отработавших газов, по количеству окиси углерода в отработавших газах при движении автомобиля на прямой передаче без нагрузки с постоянной скоростью 35 км/ч . Если же есть перерасход топлива, то проверяют и систему зажигания.
Потребность двигателя в ремонте определяют по анализу состояния картерного масла (вязкость, наличие топлива и воды, ферромагнитных частиц, продуктов износа, кремния), по состоянию цилиндропоршневой и шатунно-кривошипной групп деталей, механизма газораспределения. Двигатель состоит из довольно сложных механизмов, которые работают в отличных друг от друга условиях. Пока нет возможности иметь один способ определения технического состояния всех этих механизмов. При поэлементной диагностике проверяют цилиндропоршневую группу и газораспределительный механизм (по специальному анализу масла, утечке воздуха из камеры сгорания, расходу масла на угар, утечке газов в картер, давлению в камере сгорания в конце такта сжатия, разрежению во впускном трубопроводе), систему зажигания по параметрам электрической характеристики (наиболее точно с помощью осциллоскопа), систему питания по составу отработавших газов, герметичность системы питания под давлением 0,60,7 кгс/см2,
систему смазки (минимальное давление 0,5 кгс/см2 на оборотах холостого хода). Диагностика технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя. Техническое состояние сопряжений цилиндропоршневой группы зависит от величины структурных параметров цилиндров (износ, изменение геометрической формы), колец (износ, поломка, закоксовывание, потеря упругости), поршня (износ). Основным способом диагностики этой группы сопряжений является определение герметичности надпоршневых объемов цилиндров двигателя (компрессия каждого цилиндра при прокручивании стартером, утечка сжатого воздуха из цилиндра при закрытых клапанах, изменение утечки газов в картер), угара масла, разрежения во впускном трубопроводе и других показателей работы двигателя. Однако один какой-либо показатель не дает исчерпывающей характеристики технического состояния какой-либо группы деталей или сопряжений. По разрежению во впускном трубопроводе нельзя точно определить техническое состояние цилиндропоршневой группы двигателя, так как величина разрежения характеризует загрузку двигателя в долях от максимальной мощности, которую развивает двигатель, и зависит от положения дроссельной заслонки. Чтобы определить мощность двигателя при данном положении дроссельной заслонки н соответствующей величине разрежения, необходимо знать замеренную максимальную мощность его. Кроме того, величина разрежения зависит от состояния воздухоочистителя и впускного трубопровода, а также от опережения момента зажигания на холостом ходу, т. е. от факторов, не связанных с износом деталей двигателя. Зависимость величины разрежения во впускном трубопроводе от изменения мощности двигателя даже в пределах до 20% почти не ощущается, а поэтому соответствующие этому падению мощности износ цилиндров и увеличение зазора между цилиндром и поршнем до 0,8 мм измерить не удается. Расход масла в двигателе является более точным показателем оценки технического состояния цилиндро-поршневой группы и при наличии правильного учета дает возможность установить необходимый вид ремонта. За время работы до капитального ремонта расход масла увеличивается в 35 раз, а в некоторых двигателях до 1012 раз. Но увеличение расхода масла не всегда является следствием износа цилиндров и поршневых колец. При одном и том же износе этих деталей расход масла изменяется до 1,52 раз. Увеличение расхода может быть из-за угара и потери через неплотности масляного картера с блоком цилиндров. Почти 50% масла теряется через коренные подшипники. Так, расход смазки после замены колец снижается не сразу и не всегда закономерно. При этом наблюдается очень большой разброс данных даже при движении на одном и том же участке шоссе с постоянной скоростью. Аналогичное явление наблюдается и при стендовых испытаниях на постоянном режиме. Величина угара масла зависит от скоростного и нагрузочного режима двигателя, температуры деталей, степени разжижения масла топливом, интенсивности отбора газа из картера и от других факторов, не зависящих от износа деталей двигателя. Величина потери масла через неплотности зависит от состояния уплотнителей (сальников, прокладок) давления газов в картере и почти не зависит от износа деталей двигателя. Следовательно, при проверке расхода масла необходимо строго учитывать перечисленные факторы, влияющие, помимо износа, на расход масла. Определение расхода масла двигателем возможно при пробеге автомобилем не менее 50 км эталонного участка пути. Трудоемкость одного измерения составляет 2,53 ч.
Измерение утечки газа в картере двигателя обычным газовым счетчиком дает более полные данные о состоянии цилиндро-поршневой группы. За время работы двигателя до ремонта утечка газов в картере увеличивается в 712 раз, а в отдельных случаях и больше. Сторонники применения этого способа находят возможным устанавливать не только необходимость ремонта цилиндро-поршневой группы, но и осуществлять периодический контроль за износом двигателя в эксплуатации, за качеством сборки после ремонта и окончания периода приработки. Считают, что двигатель уже подлежит ремонту, если утечка газа в картер при полной нагрузке и 1200 об/мин коленчатого вала увеличивается в 45 раз. Однако несмотря на достаточную точность и простоту, метод не дает возможности установить непосредственную причину повышенной утечки газов; кроме того, трудно
обеспечить полную нагрузку двигателя, так как измерять утечку газов в картере рекомендуют при полностью заторможенном двигателе. Если утечка газов изменяется почти пропорционально нагрузке при постоянной частоте вращения коленчатого вала, то характер зависимости количества прорывающихся в картер газов от частоты вращения коленчатого вала двигателя гораздо сложнее. Результаты измерения утечки газов в картер двигателя при различной частоте вращения коленчатого вала при работе двигателя автомобиля ГАЗ-21 с включенной прямой передачей приведены на рис, 29.
На оси абсцисс даны показания спидометра автомобиля во время испытания. Как видно из графиков, обе кривые имеют сложный вид. Судя по кривой 1, у малоизношенного двигателя утечка газов по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала падает и при 80 км/ч имеет минимальное значение, а затем стремительно возрастает. Судя по кривой 2, этот же двигатель перед снятием в текущий ремонт имеет минимальную утечку газов при числе оборотов коленчатого вала, соответствующих скорости движения 20 км/ч .
Техническое состояние цилиндро-поршневой группы двигателя можно определить по давлению газа в картере, но давление в картере зависит от пропускной способности системы вентиляции картера. Она, в свою очередь, зависит от нагрузочного и скоростного режима двигателя, герметичности соединений и камеры, наличия отложений на стенках трубок. Ошибка в определении технического состояния изношенного двигателя, в картере которого возможно давление до 250300 мм вод. ст., в 510 раз больше, чем при измерении утечки газов в картере, когда давление в нем поддерживается 1520 мм вод. ст. Кроме того, применяемые для измерения давления в картере водяные пьезометры неудобны для практического пользования. В практических условиях о техническом состоянии цилиндро-поршневой группы двигателя судят по давлению в конце сжатия (компрессии), которое измеряют компрессометром. При проверке компрессометром давление конца сжатия может быть даже высоким при изношенных поршневых канавках и кольцах за счет большого расхода масла. На величину давления в конце сжатия основное влияние оказывает не износ цилиндров, а негерметичность клапанов. Полученные данные являются малодостоверными, так как давление в конце сжатия резко изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, а при использовании стартера нельзя добиться постоянства этой частоты. Кроме того, этот способ не позволяет установить неисправность конкретного сопряжения, влияющего на герметичность камеры сгорания.
НИИАТ разработал прибор для определения технического состояния цилиндро-поршневой группы и клапанов автомобильных двигателей по утечке воздуха из камеры сжатия при закрытых клапанах и хорошем прилегании головки блока цилиндров к блоку. Камеру сгорания через свечное отверстие соединяют с емкостью, в которой поддерживают постоянное давление. Если герметичность камеры сгорания хорошая, то давление воздуха и ней будет почти таким же, как в емкости. Чем хуже герметичность камеры сгорания, тем больше разница давлений воздуха в камере и в емкости. НИИАТ считает, что утечка воздуха происходит через зазоры в стыке поршневых колец и поэтому рекомендует определять износ и цилиндров, и поршневых колец этим способом. Из всех перечисленных способов определения технического состояния цилиндро-поршневой группы способ НИИАТ является самым точным (рис. 30). За время работы двигателя до ремонта цилиндров, замены гильз утечка воздуха из камеры сгорания увеличивается до 10 раз, а до замены колец до 4 раз. Разница в утечке воздуха составляет столько же при одних и тех же износах поршневых колец, и в два раза меньше при одних и тех же износах цилиндров. Это можно объяснить и возможными колебаниями в условиях измерения, и тем, что утечка воздуха из камеры сжатия зависит не только от износа поршневых колец и цилиндров. Диагностика технического состояния шатунно-кривошипной группы двигателя. Сопряжения шатунно-кривошипной группы деталей двигателя являются динамически нагруженными, последствия разрушения которых являются весьма тяжелыми. Раньше уже было показано, какие факторы (технологические погрешности, режим работы двигателя, нарушение режима смазки) приводят к повышению интенсивности изнашивания. Поэтому для повышения достоверности прогнозирования их состояния необходимо обеспечить по возможности постоянство установившегося режима работы сопряжения и исключить его работу в аварийном режиме, О техническом состоянии судят по внешним признакам, главным образом по наличию стука (но это уже свидетельство предельного состояния сопряжения), по результатам измерения зазора в сопряжении без его разборки. Необходимо отметить, что такие способы измерения зазора в сопряжениях без разборки двигателя существовали только для шатунных подшипников. О зазоре в шатунных подшипниках пытались судить по величине стука в сопряжении, прокачиваемое™ масла через сопряжение, давления в системе смазки. Как показал анализ результатов работ по исследованию акустических (звуковых) параметров работы подшипников, пока не установлены строгие зависимости этих параметров от износа. На изменение акустических параметров, кроме износа, влияют многие факторы. Более убедительные результаты получаются при прокачке масла через подшипники. Существует несколько способов: по давлению масла в системе смазки, по скорости утечки масла из данного объема при постоянном давлении, по объему вытекаемого из подшипника масла. Каждый из этих способов не отличается достаточной точностью. Так, давление масла в си
стеме смазки зависит от состояния масляного насоса, масла, подшипников коленчатого вала, распределительного вала и других сопряжений. Следовательно, на давление масла в системе смазки оказывает влияние не только зазор в шатунных подшипниках.
Второй способ определения технического состояния шатунных подшипников заключается в прокачке через подшипники масла заданного объема под постоянным давлением. Для этой цели масляный бак емкостью 1 л соединяют с поперечным каналом системы смазки. Так как при этом поперечный канал изолирован от продольного канала, то масло из бачка пойдет только через те подшипники, к которым подходит поперечный канал. Так, в двигателе ЗИЛ-130 через поперечный канал смазка поступает к кореннному подшипнику и подшипнику распределительного вала, к толкателям, а от коренного к двум шатунным. Поэтому, зная время расхода 1 л масла, нельзя ничего сказать о зазорах в сопряжениях и особенно шатунных подшипников. Например, было установлено распределение соотношений расхода масла через шатунный подшипник по сравнению с коренным в двигателях после сборки. Величина этого соотношения колебалась от 0,2 до 2. В процессе же эксплуатации соотношение в износе сопряжений, получающих смазку от одного коренного подшипника (обычно подшипник распределительного вала, один и даже два шатунных), колеблется в очень широких пределах и поэтому точность этого способа будет еще ниже. Достоинством этого способа является то, что измерение производят без разборки двигателя .
В Саратовском политехническом институте предложен способ измерения зазора в каждом сопряжении шейка-подшипник без разборки его. Зазор определяют по величине относительного перемещения в диаметральном направлении, например, шатунного подшипника относительно шейки вала. При этом шейка и подшипник соприкасаются рабочими поверхностями, их приработка и состояние не нарушается. Зазор измеряют индикатором (рис. 31). Корпус индикатора с помощью специального болта и гайки устанавливают на коленчатом валу в распор между щеками так, чтобы ножка индикатора касалась крышки шатуна. При перемещениях шатуна вверх-вниз индикатор зарегистрирует зазор в шатунном подшипнике по движению крышки относительно шейки.
Величина зазора, измеренная по предлагаемому способу, при проверке точности измерения сравнивалась с величиной зазора по разнице диаметров отверстия в нижней головке шатуна и вала. Проверку точности измерения проводили на специально сделанном приборе. Абсолютная величина зазора, измеренная индикатором, на 0,01 мм меньше. Измерения же зазора в подшипнике в зависимости от диаметра шейки вала одинаковы в обоих случаях: и при подсчете разницы диаметров шеек вала, и по по
, содержание абразивных
частиц, величину вязкости масла, присутствие в масле воды и топлива, концентрацию бария, водородный показатель. Особенно большое внимание уделяют результатам спектрального анализа масла, опыт применения которого на железнодорожном и авиационном видах транспорта доказали его надежность и информативность. Для спектрального анализа масла наиболее удобным является прибор, состоящий из двух графитовых электродов (медленно вращающегося дискового и неподвижного стержневого), в дуговом разряде которых сжигают пробу масла, а результат испытания регистрируют фотоэлектрическим способом. Для этой цели используют фотоэлектрическую спектральную установку МФС-2 или МФС-3 отечественного производства. Пробу масла берут
через отверстие под масломерный щуп сразу же после возвращения автомобиля с линии и остановки двигателя, периодичность принимают равной периодичности ТО-1.
Но и в этом случае окончательное решение о необходимости ремонта принимают при известной величине пробега двигателя с начала эксплуатации, расхода масла, при наличии стуков, шумов и др.
В МАДИ разработана система учета и хранения результатов диагностики. По результатам внедрения диагностики технического состояния масла в автотранспортных предприятиях эксплуатационные затраты для МАЗ-503 снизились с 240 до 168 руб. (при годовом пробеге 36 тыс. км); при стоимости диагностического оборудования 17 тыс. руб. затраты окупаются сравнительно быстро через 1,9 года, если в АТП 200 автомобилей и через полгода если 700800 автомобилей.
Из всех видов диагностического оборудования наибольшее распространение получили стенды с нагрузочным устройством, обладающие достаточной чувствительностью, стабильностью и возможностью воспроизводить различные силовые и нагрузочные режимы.
Точность диагностирования
Точность диагностирования зависит от скоростного и нагрузочного режимов испытания. Нарушения в составе смеси, в изменении энергии искры, установке зажигания, работе вакуум-корректора легче обнаружить при работе двигателя с 25%-ным открытием дроссельной заслонки и частоте вращения коленчатого вала 11001500 об/мин. Работу экономайзера бензонасоса можно точнее оценить при максимальной мощности или крутящем моменте. Нормативные показатели диагностических параметров можно установить но результатам испытаний достоверно исправных автомобилей.
Таким образом, диагностику технического состояния узлов двигателя производят главным образом по эксплуатационным параметрам: по утечке в картер двигателя отработавших газов или воздуха из камеры сгорания (сопряжение цилиндркольцо), по расходу масла (сопряжение канавка поршнякольцо), по изменению давления в системе смазки (шатунно-кривошипная группа деталей). Конструкция применяемых при этом приборов сравнительно проста, но она не позволяет оценить техническое состояние конкретного сопряжения, а только всей их совокупности.
По результатам диагностирования и при известной закономерности изменения параметров в зависимости от пробега автомобиля можно прогнозировать изменение технического состояния узла, сопряжения, величину пробега до ремонта. Для прогнозирования пробега до текущего ремонта по экономическому критерию необходимо, кроме того, знать закономерность изменения удельных затрат на поддержание работоспособности узла, агрегата, в котором установлен узел, в процессе эксплуатации.