INFLUENCE OF THERMAL GAPS OF THE GAS DISTRIBUTION MECHANISM ON THE MAGNITUDE AND SHAPE OF THE AIR FLOW SIGNAL OF THE POWER UNIT OF A WHEELED VEHICLE
INFLUENCE OF THERMAL GAPS OF THE GAS DISTRIBUTION MECHANISM ON THE MAGNITUDE AND SHAPE OF THE AIR FLOW SIGNAL OF THE POWER UNIT OF A WHEELED VEHICLE
Abstract
The article is dedicated to the study of the influence of thermal gaps of the valves of the gas distribution mechanism on the magnitude and shape of the mass air flow signal. Relevance is due to the fact that in the process of operation of vehicles equipped with internal combustion engines as the main propulsion system, it is necessary to periodically monitor the technical condition of individual elements and units that significantly affect the technical, economic and environmental performance. For this purpose, it is proposed to periodically analyse the signal of the mass air flow sensor of a wheeled vehicle, and, on this basis, to make a conclusion about the filling of cylinders with air (charge) and the need to perform adjustment and maintenance actions.
The study of the influence of thermal clearance of valves on the value and shape of the air flow signal was carried out on the TD-27 diesel engine in the conditions of the laboratory of technical operation, the Department of Automobile Transport of IRNITU. It has been established that mass air flow measurements are possible both with a functioning forced crankcase ventilation system and with the isolation of the crankcase gas exhaust pipe from the air path, and also that the value of the thermal clearances of the gas distribution mechanism affects the magnitude and shape of the mass air flow signal, having a maximum in the range of adjustments recommended by the technical documentation, and differing by more than 5% at adjustments to the larger and smaller sides.
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.