Общее диагностирование двигателя

Двигатель является наиболее сложным и важным агрегатом автомобиля, от состояния которого зависят многие технические, экономические и надежностные показатели работы.

Во время работы элементы двигателя подвергаются износу. Он проявляется в нарушении герметичности надпоршневого пространства, уплотнении головки блока цилиндров и т.п. В результате ухудшается наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью, снижается давление сжатия и, как следствие, изменяется объемный к.п.д. двигателя, уменьшается развиваемая мощность и крутящий момент, ухудшается топливная экономичность, увеличивается расход моторного масла, повышается токсичность отработавших газов.

Неисправности и отказы по двигателю в основном возникают в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах, системах питания, зажигания, охлаждения и смазки (табл.2.1).

А в целом общий вес отказов и неисправностей двигателей в общей структуре отказов автомобиля может достигать для отдельных моделей до 35…55% (табл.2.2)

Таблица 2.1 – Распределение неисправностей бензинового двигателя и трудоемкостей их устранения, %

Таблица 2.2 – Распределение отказов и неисправностей по автомобилю МАЗ-5432, %

В связи со случайным характером возникновения отказов невозможно точно предугадать момент их наступления, поэтому целесообразно регулярно контролировать техническое состояние двигателя.

Для проверки работоспособности и прогнозирования безотказности работы автомобильного двигателя в соответствии с ГОСТ 23435-79 «Техническая диагностика. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Номенклатура диагностических параметров», используются параметры:

а) эффективная мощность двигателя (или изменение частоты вращения коленчатого вала при последовательном отключении из работы каждого из цилиндров, ускорение вращения коленчатого вала при разгоне без нагрузки, характеристики вибрации, шума или звука);

б) давление масла в главной масляной магистрали;

в) удельный расход топлива;

г) токсичность отработавших газов для бензиновых двигателей;

д) дымность отработавших газов для дизелей.

2.2.1 Диагностирование двигателя по эффективной мощности

Колесная мощность автомобиля снижается в процессе эксплуатации вследствие износа цилиндропоршневой группы, неисправностей газораспределительного механизма, систем питания, зажигания, охлаждения, смазки, состояния трансмиссии и ходовой части. Величина снижения мощности может достигать 10…15%.

Наиболее полно техническое состояние двигателя определяется экспериментально полученной внешней скоростной характеристикой. Однако в целях экономии топлива и времени достаточно снять одну ее точку. Как правило, это либо максимальная мощность, либо мощность на режиме максимального крутящего момента.

Для оценки эффективной мощности могут использоваться стенды тяговых качеств (СТК). Они предназначены для имитации работы автомобиля в различных скоростных и нагрузочных режимах и измерения тяговых показателей. Конструкция стендов включает опорно-приводные, нагрузочные и измерительные устройства. На стендах измеряются колесная мощность, параметры разгона и выбега, а при наличии топливного расходомера – часовой и удельный расход топлива на различных скоростных и нагрузочных режимах. Имитация дорожных условий осуществляется на опорно-приводных устройствах (ОПУ) ленточного или роликового типа. Наибольшее распределение получили роликовые устройства: одно-, двух-, трех- или четырехроликовые, т.к. при достаточной простоте их устройства они обеспечивают сопоставимые условия качения колеса на стенде и на дороге и удовлетворяют условию невыезда автомобиля со стенда при проведении испытаний.

Для автомобилей с колесной формулой 4х2 используются двухроликовые опорно-приводные устройства (одно под каждое одинарное или сдвоенное ведущее колесо). Принципиальная схема двухроликового стенда представлена на рис.2.3. Для автомобилей с колесной формулой 6х4 применяются трех- или четырехроликовые ОПУ.

Один ролик (ведущий) связан с нагрузочным устройством, а другой является поддерживающим. Ведущие ролики жестко связаны между собой с помощью валов и фланцевой муфты, чтобы обеспечить синхронное вращение ведущих колес. Отсутствие такой связи приведет к тому, что в работу будет включаться межколесный дифференциал, и второе ведущее колесо может просто остановиться и, поскольку в ведущих мостах автомобилей используются, как правило симметричные дифференциалы, крутящий момент на пером ведущем колесе тоже снизится до нуля. Замер колесной мощности в этом случае станет в принципе невозможным.

1 – ведущий ролик; 2 – поддерживающий ролик; 3 – статор балансирной машины; 4 – ротор; 5 – ведущие колеса автомобиля; 6 - соединительная муфта

Рисунок 2.3 – Схема двухроликового СТК с балансирным нагрузочным устройством

Связанное с ведущими роликами нагрузочное устройство служит для создания нагрузочного и скоростного режима диагностирования путем торможения роликов. Основные типы нагрузочных устройств представлены на рис.2.4.

Рисунок 2.4 – Классификация нагрузочных устройств

Все нагрузочные устройства состоят из ротора, соединенного с ведущим роликом и балансирно-подвижного статора, имеющего одну степень свободы, т.е. он может вращаться вокруг ротора (рис.2.3).

Создание тормозящего момента осуществляется: в гидравлическом тормозе за счет затрат энергии на перемещение воды между статором и ротором; в электрическом – за счет электромагнитных сил взаимодействия между статором и ротором; в электродинамическом – за счет взаимодействия электромагнитного поля статора и ротора. Электрические вихревые токи ротора возникают при его вращении в магнитном поле катушек статора.

Увеличение нагрузочного режима достигается большим заполнением гидротормоза водой – для гидротормозов; или увеличением силы тока статора для электрических нагрузочных устройств.

Каждое нагрузочное устройство имеет свою внешнюю характеристику (рис.2.5), которая ограничивает возможные поля нагрузок. Если на стенде будут диагностироваться различные автомобили с различными тяговыми усилиями – Р_Т, то должно использоваться нагрузочное устройство с более широким диапазоном нагрузок. При выборе СТК с тем или иным нагрузочным устройством необходимо помимо диапазона режимов учитывать и другие их характеристики: приведенную мощность для рассматриваемых нагрузочных устройств, определяемую отношением максимально поглощаемой мощности к их массе; приведенную стоимость нагрузочного устройства, определяемую отношением его стоимости к максимальной мощности; возможность прокручивания ведущих колес стендом для измерения потерь мощности в трансмиссии; надежность работы нагрузочного устройства; экономичность в эксплуатации.

1 – электродинамический тормоз; 2 – электрический постоянного тока; 3 – гидравлический тормоз; 4 – электрический постоянного тока

Рисунок 2.5 – Внешняя характеристика нагрузочных устройств

Измерение тормозящего момента на СТК осуществляется с помощью измерительных устройств. Поглощаемая или колесная мощность N_k равна

N_k = М_р ^. w_p / h_с , (2.6)

где М_р – тормозящий момент на ролике, Н^.м;

w_p - частота вращения ролика, с^-1;

h_с – к.п.д. стенда.

Частоту вращения определяют, используя один из датчиков частоты вращения. Для определения крутящего момента исходят из следующих предположений. Под действием электромагнитных сил или под действием рабочей жидкости в гидротормозе, статор 1 стремиться повернуться в направлении вращения ротора 2 (рис.2.6). Сила действия Р_р и плечо r , на котором она приложена, не известны. Для остановки статора к нему на плече l прикладывают уравновешивающую силу R. Статор будет поворачиваться до положения, пока уравновешивающий момент от измерительного устройства стенда (R × l) не станет равен моменту от сил взаимодействия статора и ротора (Р_р × r).

Рисунок 2.6 – Схема сил в балансирном тормозе

Плечо l задается конструкцией стенда (иногда принимается равным 1 м), а силу R измеряют с помощью датчика давления, пьезоэлектрических датчиков, маятниковых или квадратных динамометров. Например, маятниковый динамометр (рис.2.7) представляет собой двуплечный рычаг, к плечу а которого прикладывается измеряемая сила R, а на плече b устанавливается уравновешивающий груз известного постоянного веса Q. Рычаг поворачивается до момента уравновешивания, для которого можно записать

R×a×cosa = Q×b×sina . (2.7)

Откуда

R = Q× × tga . (2.8)

Вес груза, b и а - известны и постоянны для каждого стенда. Таким образом, измеряемое усилие R пропорционально тангенсу угла отклонения маятника. Поэтому по углу поворота двуплечного рычага, указываемого стрелкой 3 на шкале 4, оценивают силу R и, с учетом длины плеча l , момент М_р .Далее по формуле (2.7) определяют колесную мощность.

1 – двуплечный рычаг; 2 – уравновешивающий груз; 3 – стрелка; 4 – шкала динамометра

Рисунок 2.7 – Схема маятникового динамометра

При диагностировании необходимо, чтобы двигатель был прогрет, т.е. температура охлаждающей жидкости должна быть 75…85°С.

Косвенную оценку мощностных параметров двигателя дают бестормозные методы. Они основаны на использовании в качестве нагрузки двигателя механическими потерями при отключении цилиндров или силы инерции движущихся масс двигателя при разгоне коленчатого вала от частоты вращения холостого хода до максимальной.

При поочередном отключении i цилиндров измеряют частоту вращения холостого хода двигателя. Выключенные цилиндры нагружают двигатель за счет компрессирования в них топливно-воздушной смеси. Чем ниже мощность, развиваемая цилиндром, тем меньше изменяется частота вращения при его отключении:

Dw_i = w_н - w_i , (2.9)

где w_н – начальная частота вращения, с^-1;

w_i – частота вращения коленчатого вала при отключении i-го цилиндра, с^-1.

При использовании инерционных масс двигателя быстро перемещают рычаг управления топливоподачей от минимального до максимального положения и оценивают интенсивность разгона коленчатого вала. Чем быстрее осуществляется разгон, тем выше эффективный крутящий момент. При измерениях автомобиль должен находиться на горизонтальной площадке с включенным стояночным тормозом и подсоединенным вентиляционным отсосом отработавших газов.

На этом принципе разработаны приборы (типа ИМД-2). Так как при работе на всех цилиндрах и полной топливоподаче ускорение достигает свыше 200 1/с², наблюдается существенная деформация рабочего цикла. Поэтому метод дополняют отключением части цилиндров.

Параметры вибрации и шума тоже содержат большое количество информации о техническом состоянии различных элементов двигателя. При его работе создается широкий спектр звуковых колебаний, которые прослушиваются в определенных местах двигателя (рис.2.8). Они возникают вследствие стуков коренных и шатунных подшипников, поршневых пальцев, поршней, вибраций клапанов, колебания газов во впускном и выпускном трубопроводах, соударения различных деталей, трений в подвижных соединениях.

1 – зона клапанов; 2 – зона поршней; 3 – зона подшипников;

4 – зона шестерен газораспределения

Рисунок 2.8 – Зоны прослушивания двигателя

Стуки клапанов возникают при увеличении тепловых зазоров и хорошо прослушиваются на прогретом двигателе на малых оборотах. Стуки поршневых пальцев возникают при повышении зазора между пальцем и втулкой головки шатуна или отверстии для пальца в бобышке поршня более 0,1 мм. Они хорошо слышны при резко переменном режиме работы прогретого двигателя: это резкий металлический звук, пропадающий при выключении зажигания. Стуки поршня проявляются при износе поршня и цилиндра при недостаточно прогретом двигателе на частоте вращения холостого хода. Характер стука – сухой, щелкающий, уменьшающийся по мере прогрева двигателя. Стуки коренных и шатунных подшипников возникают при зазорах более 0,1…0,2 мм. Хорошо прослушиваются на прогретом двигателе. Характер стука – сильный, глухой, низкого тона. У шатунных подшипников – более резкий и звонкий, чем у коренных. Особенно явно слышны стуки при резком изменении частоты вращения коленчатого вала и практически исчезают при отключении зажигания (топливоподачи у дизелей).

Для оценки стуков применяются стетоскопы или стетофонендоскопы. Однако оценка технического состояния двигателя с их помощью является приближенной, зависящей от личного опыта механика, и не дает количественной оценки износов. Поэтому целесообразно использовать более современные виброаккустические методы контроля работоспособности. Они предполагают получение амплитудно-частотных характеристик шумов и их анализ. Максимальная амплитуда виброимпульсов и моменты их появления содержат информацию о зазорах в сопряжениях и о параметрах их работы. При этом используют два метода разделения сигналов спектра: временной и частотной. При временном – положение каждого сигнала отличается от положения последующего на некоторую величину времени и синхронизируется с каким-либо опорным событием, происходящим в механизме (например, положением поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке, момент зажигания или впрыска). Выделение интересующих импульсов осуществляется с помощью стробатора – прибора, пропускающего через себя сигнал только в определенные промежутки времени.

При частотном – сигналы от различных элементов должны отличаться частотой или периодом их следования. Для их выделения используют частотные фильтры.

2.2.2 Диагностирование двигателя по давлению масла

Величина давления масла в масляной магистрали косвенно характеризует техническое состояние двигателя. Оно может контролироваться щитковым манометром автомобиля. По мере изнашивания кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, давление масла уменьшается. Оно может быть определено и с помощью эталонного манометра со шкалой от 0 до 1 МПа и ценой деления не менее 0,02 МПа и маслопровода с наконечником, обеспечивающим подключение манометра вместо датчика давления масла. Давление измеряют при определенной частоте вращения коленчатого вала на прогретом двигателе и сравнивают с данными инструкции завода-изготовителя. На частоте вращения холостго хода оно должно быть не менее 0,1 МПа. Высокое давление (для карбюраторных двигателей свыше 0,4 Мпа, для дизельных – свыше 0,8 Мпа) свидетельствует о неисправности редукционного клапана масляного насоса.

2.2.3 Диагностирование двигателя по удельному расходу топлива

Расход топлива при диагностировании двигателей необходимо измерять с высокой точностью, т.к. он небольшой по абсолютной величине и в зависимости от нагрузки двигателя изменяется в широких пределах. Он может определяться весовым (рис.2.9) или объемным методом. Часовой расход топлива при весовом методе определяется:

(2.10)

где G_оп – вес израсходованного топлива за время испытаний, грамм;

t - время испытаний (часто принимается 60 секунд), с.

а) б)

а – для бензинового двигателя; б – для дизельного двигателя

1 – двигатель; 2 – расходный бак; 3 – трехходовой кран; 4 – навесок; 5 – весовой механизм; 6 – обратный трубопровод

Рисунок 2.9 – Схема измерения расхода топлива весовым методом

Система питания дизельного двигателя имеет обратные топливопроводы от форсунок и топливного насоса высокого давления к баку, чтобы сливать излишки топлива, поступающие к этим приборам. Чтобы их учесть при диагностировании необходимо или сливать эти излишки в навесок, или обратно их подавать к топливоподкачивающему насосу параллельно питанию от навеска (рис.2.9 б). Перед проведением испытаний сначала заполняют навесок до необходимой величины. С помощью крана 3 переключают питание двигателя на расходный бак 2, запускают двигатель, прогревают его и выводят на требуемый нагрузочный режим, как правило режим максимального крутящего момента Для создания нагрузочного режима используют стенды тяговых качеств. Далее переводят питание двигателя из навеска и определяют расход топлива с помощью весового механизма за определенное время, засекаемое секундомером.

При объемном способе замера вместо весов и навеска используют мерный цилиндр, позволяющий определять объем израсходованного топлива за время диагностирования. Он будет измеряться в л/час. Метод имеет худшую точность, т.к. плотность и объем топлива зависят от его температуры. Поэтому один и тот же двигатель на одних и тех же режимах будет иметь различный объемный расход, если изменяется температуры топлива.

2.2.4 Диагностирование двигателя по токсичности и дымности

На состояние окружающей среды оказывают влияние различные неисправности двигателя и автомобиля в целом: износы цилиндро-поршневой группы; неисправности систем питания, зажигания и охлаждения; система выпуска отработавших газов; пробуксовка сцепления, неправильная регулировка тормозных механизмов и др.

Хотя состав отработавших газов (ОГ) зависит от технического состояния, все же основная задача диагностирования – это недопущение работы на линии автомобилей с повышенным содержанием вредных компонентов.

Общее количество различных химических соединений, присутствующих в отработавших газах двигателей составляет свыше двухсот наименований, а особенно вредными для окружающей среды являются соединения свинца, окись углерода СО, окислы азота NO_x, углеводороды С_nH_m, серные соединения и альдегиды.

Для определения объемных долей компонентов отработавших газов бензиновых двигателей могут использоваться различные методы: абсорбциометрический, термокондутометрический, оптический, термохимический и другие.

Наибольшее распространение получили анализаторы оптического типа, т.к. они позволяют оценивать основные токсичные компоненты: СО, СО₂, С_nH_m . Принцип их действия основан на различном поглощении лучистой энергии различными газами. Отработавшие газы через заборник 1 (рис.2.10), устанавливаемый в выхлопной трубе автомобиля под действием диафрагменного насоса 5 проходят через конденсатоотделитель, фильтрующие элементы 4, попадают в рабочую камеру 6 и далее в атмосферу.

Два источника инфракрасного излучения 8 и 9 через обтюратор 11 (револьверная диафрагма), приводимый во вращение от электродвигателя 10, создают равные прерывистые потоки инфракрасного излучения, проходящие через рабочую 6 и сравнительную камеру 7. Сравнительная камера заполнена воздухом (или азотом), который не поглощает это излучение. В рабочей камере 6 отработавшие газы поглощают из общего спектра инфракрасное излучение с определенной длиной волны. СО, например, поглощает лучи с длиной волны 4,7 мкм, а СО₂ – 4,3 мкм, и т.д.

1 – заборник; 2 – конденсатоотделитель; 3 – фильтр тонкой очистки; 4 – защитный фильтр; 5 – диафрагментный насос; 6 рабочая камера; 7 – камера сравнения; 8, 9 – инфракрасный излучатель с параболическими зеркалами; 10 – электродвигатель; 11 – абтюратор; 12 – приемник излучения; 13 – диафрагменный конденсатор; 14 – усилитель; 15 – регистрирующий прибор.

Рисунок 2.10 – Принципиальная схема инфракрасного оптического газоанализатора

В приемник 12, разделенный пополам диафрагменным конденсатором 13, в разные полости поступают два инфракрасных потока различной интенсивности. В результате повышается температура в полостях и, соответственно, давление. Под действием разности давлений конденсатор прогибается и изменяет свою емкость, которая преобразуется в электрические сигналы, усиливается усилителем 14 и индицируется прибором 15. Прибор позволяет определять процентное содержание СО. Более современные модернизированные приборы имеют две одинаковые измерительные схемы, через которые проходят отработавшие газы и измеряются соответственно СО, СО₂ и т.д.

Качество отработавших газов дизельных двигателей оценивают по дымности. Газообразные продукты сгорания моторных топлив прозрачны и бесцветны за исключением окислов азота. Поэтому изменение прозрачности и цвета отработавших газов свидетельствует о нарушении процесса сгорания и, соответственно, о неисправностях двигателя и его систем. Причем основным источником дымности является наличие в отработавших газах сажистых частиц.

В настоящее время имеют распространение дымомеры с фильтрацией отработавших газов и поглощением светового потока. В дымомерах с фильтрацией дымность определяется по степени потемнения фильтрованной бумаги, через которую пропускается определенный объем отработавших газов. Для забора отработавших газов из выхлопной трубы автомобиля используется насос-дозатор (рис.2.11), представляющий собой поршневой насос.

1 – заборник; 2 – адаптер; 3 – фильтр; 4 – поршень;

5 – возвратная пружина; 6 – ручка

Рисунок 2.11 – Схема насоса-дозатора

Фильтр 3 помещают в адаптер 2. С помощью рукоятки 6 поршень 4 перемещают в крайнее правое положение. Заборник помещают в выхлопную трубу при работе двигателя на нужном режиме и отпускают рукоятку. Под действием возвратной пружины 5 поршень перемещается в крайнее левое положение, прокачивая через фильтр примерно 0,0003 м³ отработавших газов за 1,5 секунды.

Фильтр извлекают и подвергают фотометрированию методами отражения или поглощения света (рис.2.12). При первом методе отражение света происходит с наиболее загрязненной стороны фильтра. Чем больше отражение света, тем меньше сажи находится в отработавших газах. Однако сажистые частицы осаждаются не только на поверхности фильтра, но и проходят сквозь него, поэтому метод не совсем точен. Этого недостатка лишен метод поглощения света, когда оценивается интенсивность светового потока при его прохождении через фильтр. Так как структура фильтров неоднородна, то необходимо дважды их фотометрировать до установки в адаптер и после пропускания через него газовой пробы.

а – метод отражения света б) метод поглощения света

1 – фотоэлемент; 2 – зеркальный отражатель; 3 – источник света; 4 – фильтр

Рисунок 2.12 – Схемы методов фотометрирования задымленных фильтров

Дымомеры с поглощением светового потока измеряют ослабление интенсивности света, проходящего через определенную толщину отработавших газов. По этому принципу работают дымомеры типа «Хартридж», «Clayton», ДО-1. Они измеряют ослабление интенсивности света, проходящего через слой отработавших газов, имеющих определенную толщину, или эффективную базу. Эффективная база – это толщина оптически однородного слоя эталонных газов, эквивалентного по ослаблению светового потока столбу тех же ОГ, заполняющих трубу дымомера в условиях измерения. Современные дымомеры имеют эффективную базу 0,43 м. Коэффициент ослабления светового потока (или дымность, %) характеризует степень ослабления света вследствие его поглощения и рассеивания отработавшими газами при прохождении ими рабочей трубы дымомера.

Оптический дымомер состоит из блока питания, блока индикации и измерительного блока (рис.2.13). При присоединении входного патрубка 13 в выхлопной трубе дизельного двигателя внутри корпуса измерительного блока 8 будет проходить поток ОГ. Свет от излучателя 9, проходя через столб ОГ, будет попадать на светоприемник 11, который фиксирует величину его ослабления и преобразует ее в эквивалентный электрический сигнал. Далее этот сигнал поступает в блок питания и индикации 1, где он преобразуется, усиливается и приводится к стандартным условиям испытаний. Измеренное значение дымности выводится на стрелочный индикатор 2. Для тарировки дымомера на патрубке 13 имеется ручка 12 со сменными светофильтрами. При полностью задвинутой ручке прибор должен показывать значение «0» дымности. При полностью выдвинутой ручке (положение 2) световой поток полностью перекрывается, и прибор должен показывать значение «100» процентов дымности. В среднем положении (на ручке положение «1») дымомер должен показывать какое-то среднее значение (для большинства дымомеров 44…52 %). При несоответствии показаний проводится настройка прибора. При испытаниях на дымность ручка 12 должна быть полностью задвинута.

1 - блок питания и индикации; 2 - стрелочный индикатор; 3 - лампа «отказ»; 4 -лампа «работа»; 5 - лампа «вкл»; 6 - тумблер «сеть»; 7 - удлинитель с рукояткой; 8 - измерительный блок; 9 - излу­чатель; 10 - набор светофильтров; 11 – светоприемник; 12 - ручка со сменными светофильтрами; 13 - патрубок для присое­динения к выхлопной трубе; 14 - соединительный кабель; 15 - потенциометр коррекции «100»; 16 - потенциометр коррекции «0»; 17 - сетевой кабель 12 В; 18 - сетевой кабель 220 В

Рисунок 2.13 - Схема дымомера ДО-1

Недостатком таких дымомеров является то, что они не оценивают абсолютную величину дымности (например, количество углерода в 1 м³ отработавших газов). Кроме того, степень поглощения светового потока зависит от размеров и конфигурации сажистых частиц в отработавших газах, что затрудняет тарировку дымомеров и снижает их точность.

Дымность определяется на двух режимах: режиме свободного ускорения и режиме максимальной частоты вращения.

При измерении дымности в режиме свободного ускорениядеся­тикратно повторяют циклы разгона двигателя с минимальной до мак­симальной частоты вращения быстрым, но плавным нажа­тием на педаль управления подачей топлива с отпущенного положе­ния до упора с интервалом между циклами не более 15 с. Значения замеряются на последних четырех циклах но максимальному откло­нению стрелки индикатора. За результат принимается среднее ариф­метическое четырех измерительных циклов. Измерения считаютсякорректными, если разница между измеренными четырьмя значения­ми не превышает 6 %.

При измерении дымности в режиме максимальной частоты вра­щения необходимо нажатьдо упора педаль управления подачей топлива и зафиксировать ее в этом положении. Дымность измеряют через 20...30 с после установления максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя. Результатом измерения считают среднее арифметическое, определенное по максимальным значениям дымности. Измерения считаются корректными, если разница между четырьмя измеренными значения­ми не превышает 6%.