ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЗАЗОРОВ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ И ФОРМУ СИГНАЛА РАСХОДА ВОЗДУХА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ КОЛЕСНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЗАЗОРОВ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ И ФОРМУ СИГНАЛА РАСХОДА ВОЗДУХА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ КОЛЕСНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Аннотация
Статья посвящена изучению вопроса о влиянии тепловых зазоров клапанов механизма газораспределения на величину и форму сигнала массового расхода воздуха. Актуальность обусловлена тем, что в процессе эксплуатации транспортных средств, оборудованных двигателями внутреннего сгорания в качестве основной силовой установки, необходим периодический контроль технического состояния отдельных элементов и узлов, значительно влияющих на технико-экономические и экологические показатели. Для этой цели предлагается периодически анализировать сигнал датчика массового расхода воздуха колесного транспортного средства, и, на этой основе, делать заключение о наполнении цилиндров воздухом (зарядом) и необходимости выполнения регулировочно-обслуживающих воздействий.
Исследование влияния теплового зазора клапанов на величину и форму сигнала расхода воздуха проводилось на дизельном двигателе TD-27 в условиях лаборатории технической эксплуатации, кафедры автомобильного транспорта ИРНИТУ. Установлено, что измерения массового расхода воздуха возможны как с функционирующей принудительной системой вентиляции картера, так и при изоляции патрубка отвода картерных газов от воздушного тракта, а также что величина значения тепловых зазоров механизма газораспределения влияет на величину и форму сигнала массового расхода воздуха, имея максимум в диапазоне регулировок, рекомендуемых технической документацией, и отличаясь более чем на 5% при регулировках в большую и меньшую стороны.
1. Введение
Автомобили с двигателем внутреннего сгорания по-прежнему остаются наиболее распространенным видом транспорта для перевозки людей и грузов в России. С учетом специфики и протяженности дорог существуют основания полагать, что в ближайшей перспективе такие автомобили не будут существенно заменены на электрические или использующие водород и электричество .
В ходе эксплуатации автомобиля существует вероятность ухудшения технического состояния отдельных систем и компонентов. Некоторые из узлов двигателя при этом являются обслуживаемыми по достижении определенной наработки, другие системы и вовсе являются лимитирующими работоспособность и/или ресурс всего двигателя . К последним относится, например, цилиндро-поршневая группа (ЦПГ). Ее техническое состояние значительно влияет на технико-эксплуатационные и экологические показатели автомобиля . Другой механизм двигателя внутреннего сгорания - механизм газораспределения (МГР), является обслуживаемым (замена приводного ремня/цепи, регулировка тепловых зазоров клапанов и др.). Как правило, периодичность обслуживания систем и механизмов, в том числе МГР назначается заводом-изготовителем с учетом опыта и особенностей эксплуатации , . В то же время, поскольку условия эксплуатации различаются очень значительно, даже в пределах одной климатической зоны, многими исследователями предлагается назначать ремонтно-обслуживающие воздействия по результатам диагностирования , .
Безусловный приоритет с точки зрения диагностирования принадлежит бортовым системам самодиагностики. Однако, они еще недостаточно совершенны. В частности, они на сегодняшний момент не позволяют оценить степень изношенности ЦПГ или выявить потребность в регулировке тепловых зазоров МГР , . Между тем, нами выдвинута гипотеза о том, что техническое состояние перечисленных выше систем отразится на величине и форме сигнала одного из самых важных датчиков системы управления двигателем – датчика массового расхода воздуха (ДМРВ). Ресурс таких датчиков сопоставим с ресурсом двигателя в целом, и для сложных условий эксплуатации математическое ожидание отказа составляет 281,1 тыс. км пробега .
Современные автомобили, в том числе с дизельными двигателями, имеют сложные системы управления, содержащие комплекс датчиков и исполнительных механизмов, а также электронный блок управления. Одним из наиболее важных датчиков является датчик массового расхода воздуха (ДМРВ), т.к. его показания непосредственно влияют на эксплуатационные свойства автомобилей, в частности, топливную экономичность, тягово-скоростные свойства, дымность отработавших газов и т.д. .
В ходе эксплуатации автомобиля существует вероятность нарушения его функционирования из-за сбоев в работе отдельных систем и компонентов. Например, при разрегулировке клапанов, двигатель может работать некорректно или перейти в аварийный режим, что неизбежно приведет к снижению его эффективности . Вследствие этого происходит и ухудшение экологических норм двигателя, а также повышение расхода топлива . Поэтому нужно уделять повышенное внимание к выявлению неправильного теплового зазора клапанов.
Для изменения тепловых зазоров МГР с увеличением пробега есть определенные причины. В случае впускных клапанов, основной причиной является износ металлических деталей – кулачка и толкателя. Этот процесс происходит очень медленно. В случае выпускных клапанов, ситуация несколько иная. Под воздействием горячих выхлопных газов происходит выгорание поверхности клапана и его седла, что приводит к уменьшению теплового зазора и иногда к прогару. Изменение тепловых зазоров влияет также на наполнение цилиндров и фазы открытия клапанов .
2. Методы и принципы исследования
Исследование влияния теплового зазора клапанов на величину и форму сигнала расхода воздуха проводилось в условиях лаборатории технической эксплуатации, кафедры автомобильного транспорта. В качестве объекта для проведения экспериментов выступил двигатель TD27, изображен на рис. 1.
Рисунок 1 - Общий вид экспериментальной установки
Рисунок 2 - Структурная схема измерительного комплекса
Рисунок 3 - Записанные сигналы синхронизации и ДМРВ для дальнейшей обработки
Таблица 1 - Характеристики двигателя TD-27
Характеристика | Значение |
Конструкция блока цилиндров | Рядная |
Рабочий объем, см3 | 2663 |
Число цилиндров | 4 |
Диаметр цилиндра, мм | 96 |
Ход поршня, мм | 92 |
Степень сжатия | 22 |
Тип камеры сгорания | Вихрекамерная |
Мощность, кВт | 62,5 (при 4000 об/мин) |
Крутящий момент, Н·м | 216 (при 2400 об/мин) |
Графики зависимости расхода картерных газов получали следующим образом:
1. Двигатель приводился в рабочее состояние, клапана отрегулированы согласно технической документации 0,25мм впуск, 0,25мм выпуск. Для этого температура двигателя выставлялась по шкале WARM, снималась крышка клапанов, выставлялась ВМТ и с помощью измерительных щупов выставлялись зазоры в паре «коромысло/клапан». Сборка выполнялась в обратной последовательности.
2. Мотор выводился на рабочую температуру, записи осциллограммы производились на холостом ходу (800 об/мин ±50 об/мин). Один канал осциллографа на канал синхронизации (в данном случае это ДПКВ), второй канал к сигнальному проводу ДМРВ. Продолжительность измерения составляет в среднем от 5 до 10 секунд работы двигателя, данные усредняются и представляются на графике одним циклом.
3. Сначала производились записи данных при полностью исправном моторе с подключенной системой вентиляции картера к впускной магистрали подачи воздуха и без. После чего поочередно производилось отключение подачи топлива в цилиндр с помощью ослабления гайки топливной с форсунки.
4. Пункты 1-3 повторялись при выставлении тепловых зазоров 0,05 мм и 0,5 мм.
5. Тепловые зазоры менялись только на 1-м цилиндре, с условием, что остальные цилиндры отрегулированы согласно технической документации 0,25 мм.
Получившиеся данные в объеме 34 записей, были обработаны «программой», после чего построены графики.
В дальнейшем графики, полученные в ходе обработки накладывались друг на друга. В каждом сравнении находилась разность.
Анализ параметров сигналов проводился для двух случаев – при функционирующей замкнутой системе вентиляции картера и при изоляции патрубка сапуна от впускного тракта.
3. Основные результаты
Для оценки результатов о влиянии тепловых зазоров механизма газораспределения серия экспериментов выполнялась с замкнутой функционирующей системой вентиляции картера, так и с выпуском картерных газов в атмосферу. Эти варианты рассматривались поскольку оба случая имеют место быть в эксплуатации, а заодно проверялось влияние потока картерных газов или его изоляции от воздушного тракта на чувствительность и конечную форму сигнала.
Разность расхода картерных газов двигателя TD27 с подключенной и отключенной системой, при тепловых зазорах 0,25мм, составила 5,67%, см. рис.4.
Рисунок 4 - График зависимости расхода воздуха с сапуном и без него с тепловыми зазорами 0,25 мм
Рисунок 5 - График зависимости расхода воздуха с сапуном и без него с тепловыми зазорами 0,05 мм
Рисунок 6 - График зависимости расхода воздуха с сапуном и без него с тепловыми зазорами 0,5 мм
Все полученные значения зависимости расхода картерных газов от разрегулировки клапанов с сапуном и без сапуна сведены в табл. 2.
Таблица 2 - Таблица зависимости расхода картерных газов от разрегулировки клапанов
Тепловой зазор клапанов, мм | Расход воздуха, г/с | Относительная разность, % | |||
С сапуном | Без сапуна | ||||
абсолютный | относительный | абсолютный | относительный | ||
0,05 | 30,29 | 93,7 | 32,46 | 94,8 | 6,69 |
0,25 | 32,30 | 100 | 34,24 | 100 | 5,67 |
0,50 | 30,59 | 94,7 | 32,56 | 95 | 6,06 |
Рисунок 7 - График зависимости расхода воздуха с сапуном, с тепловыми зазорами первого цилиндра 0,05 мм (выделенная область) а остальными 0,25 мм
Рисунок 8 - График зависимости расхода воздуха без сапуна, с тепловыми зазорами первого цилиндра 0,5 мм (выделенная область), а остальными 0,25 мм
4. Заключение
1. Величина значения тепловых зазоров механизма газораспределения влияет на величину и форму сигнала массового расхода воздуха, имея максимум в диапазоне регулировок, рекомендуемых технической документацией, и отличаясь более чем на 5% при регулировках в большую и меньшую стороны.
2. Измерения массового расхода воздуха возможны как с функционирующей принудительной системой вентиляции картера, так и при изоляции патрубка отвода картерных газов от воздушного тракта.