автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Оценка технического состояния цилиндропоршневой группы автотракторных дизелей по разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме

На правах рукописи

ПОНИЗОВСКИЙ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО РАЗНОСТИ РАСХОДОВ ВОЗДУХА НА ВПУСКЕ И ВЫПУСКЕ В ПУСКОВОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2010

1 АПР 2010

004600428

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный ун, верситет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Воронин Дмитрий Максимович (ФГОУ ВПО НГАУ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корр. Россельхозакадемии, профессор Альт Виктор Валентинович (ГНУ СибФТИ Россельхозакадемии)

кандидат технических наук Коротких Владимир Владимирович (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

Ведущая организация: Алтайский государственный аграрный

университет (ФГОУ ВПО АГАУ)

Защита состоится «23» апреля 2010 года на заседании диссертационного сове ДМ 006.059.01 при ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт механиз ции и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйс венных наук по адресу: 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р Краснообск-1, а/я 460, ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии. телефон, факс (383) 348-12-09. e-mail: sibime@ngs.ru. С авторефератом можно 03i комиться на сайте http://www.sibime.sorashn.ru

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, проа направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии и на сайте http://www.sibime.sorashn.ru

Автореферат разослан «22» марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

B.C. Нестяк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. По соотношению числа отказов двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на примере цилиндропоршневой группы (ЦПГ) занимает второе место

(20 %) после топливной аппаратуры (45%). Одним из важных факторов его исправной работы является обеспечение номинальной величины неплотности цилиндропоршневой группы.

Неплотность ЦПГ является одним из важных параметров технического состояния, существенно влияющих на эффективную работу двигателя. При увеличении неплотности ЦПГ снижаются такие технико-экономические показатели, как эффективная мощность, удельный и часовой расход топлива, повышается температура выхлопных газов, увеличивается количество вредных выбросов в атмосферу, значительно ухудшаются пусковые качества, снижается долговечность двигателя.

Анализ существующих методов и средств контроля технического состояния ЦПГ показал, что на сегодняшний день большинство из них требуют предварительной разборки двигателя перед диагностированием, имеют высокую трудоемкость и не обладают достаточной точностью при постановке диагноза.

Поэтому необходимы дальнейшие исследования, разработка новых методов и средств контроля, при помощи которых можно быстро и эффективно проконтролировать и оценить состояние цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания.

Таким образом, совершенствование способов контроля состояния ЦПГ, на что направлена настоящая работа, имеет практическую и научную значимость.

Цель исследования. Сокращение трудовых и материальных затрат при оценке технического состояния цилиндропоршневой группы за счет совершенствования методов и средств измерения.

Объект исследования. Процесс изменения неплотностей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания в условиях эксплуатации.

Предмет исследования. Закономерности изменения неплотностей цилинд-опоршневой группы в зависимости от технического состояния и режима работы вигателя.

Научная гипотеза. В качестве параметра оценки технического состояния дпиндропоршневой группы может быть использовано значение разности расходов оздуха на впуске и выпуске двигателя в пусковом режиме без подачи топлива.

Научная новизна. Обоснован оперативный способ оценки технического остояния цилиндропоршневой группы двигателя по разности расходов воздуха на пуске и выпуске в пусковом режиме. Новизна предложенного способа подтвер-:дена патентом РФ (Пат. 2336513).

Разработана математическая модель, характеризующая зависимость разноги расходов воздуха от неплотности цилиндропоршневой группы.

Разработана технология оценки технического состояния ЦПГ дизельных вигателей.

Практическая значимость. Разработанная технология позволяет упросить процесс оценки технического состояния ЦПГ, сократить его продолжитель-сть и трудоемкость, повысить достоверность и точность диагноза и снизить об-

3

щие затраты при эксплуатации машинно-тракторного агрегата (МТА) на технич< ское обслуживание и ремонт.

На защиту выносятся:

- разработанный способ оценки технического состояния ЦПГ по разност расходов воздуха в пусковом режиме без подачи топлива;

- технология оценки технического состояния ЦПГ дизельных двигателей;

- результаты технико-экономического обоснования эффективности npoBi денных научных исследований.

Реализация результатов исследования. Разработанная технология оцени технического состояния ЦПГ реализована в условиях предприятия техническ01 сервиса г. Новосибирска ООО «Сибирь Дизель Сервис».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докл дывались:

1. на Международной научно-практической конференции «Современные перспективные технологии, в АПК Сибири» (г. Новосибирск, 2006 г.).

2. на Международной научно-практической конференции, посвященной 10 летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (г. Новое бирск, п. Краснообск, 2008 г.)

3. на VI Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов С бирского федерального округа «Научное и инновационное обеспечен] АПК Сибири» (г. Барнаул, 2008 г.)

4. на VII Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов г рарных вузов Сибирского федерального округа (г. Новосибирск, 2009 г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в тс

числе одна в издании, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научнг журналов и изданий», рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти гл< общих выводов и предложений. Работа изложена на 107 страницах машинописно текста, включающего 11 таблиц, 29 рисунков, библиографического списка литер туры из 84 наименований и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, ее цель, определены объект предмет исследований, раскрыты научная гипотеза, новизна и практическая ц< ность результатов работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотре методы и средства, определяющие неплотность цилиндропоршневой группы и меры сгорания. Проанализированы их преимущества и недостатки.

Проблематикой технической диагностики тракторов и автомобилей за] мались ГОСНИТИ, ВИМ, СибИМЭ, НАТИ и другие научно-исследовательские реждения. В этой области известны такие исследователи как Деревцов Ю.Н., Д ролюбов И.П., Дынга И.Г., Змановский Вик.А., Лившиц В.М., Михлин В.М., Т ских И.П. и другие.

Более детально исследованиями по диагностике ЦПГ занимались Вельских В.И., Рогожкин В.М., Костин В.Д., Синий В.П. и др. Ими установлено, что состояние уплотнения надпоршневого пространства двигателя оценивается по величине неплотности цилиндров. Этот показатель наиболее полно характеризует работоспособность сопряжений и имеет, при исправном состоянии других систем и механизмов, непосредственную связь с мощностью двигателя.

Для достижения цели работы сформулированы следующие задачи:

1. Установить влияние неплотности цилиндропоршневой группы на разность расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме и обосновать способ оценки ее технического состояния.

2. Разработать технологию оценки технического состояния цилиндропоршневой группы.

3. Произвести производственную проверку способа и оценить эффективность результатов исследований.

Во второй главе «Теоретические предпосылки к разработке способа оценки технического состояния дизеля по разности расходов воздуха» рассмотрен рабочий цикл дизеля в пусковом режиме, что соответствует предлагаемому способу.

Характер рабочего цикла ДВС при пуске показывает, что средние и мгновенные частоты вращения коленчатого вала и скорости движения поршня в десятки раз меньше, чем при работе на режимах максимальной мощности. Вследствие этого увеличивается теплоотдача в стенки цилиндров, нарушается неплотность ЦПГ и увеличивается выброс заряда через выпускные клапаны.

Для установившихся режимов ДВС давление и температуру конца такта сжатия определяют из соотношений:

рс=р0-е1;, (1)

Тс=Т0-еГ\ (2)

где Р0 и Т0 - соответственно давление (кг/см2) и температура воздуха (°С) в цилиндре двигателя при нахождении поршня в положении н.м.т.; ег - геометрическая степень сжатия; - средний показатель политропы сжатия. При пуске ДВС фактическая степень сжатия меньше ег из-за потери части заряда через неплотности конструкции и впускной клапан, закрывающийся у двигателей через 40-70 градусов после н.м.т. (инерционное наполнение после н.м.т).

В данном случае фактическая степень сжатия определяется но формуле:

= С■ег

1-

Уь±Ус)

(З)

где ДУ/,- объём, теряемый через впускной клапан; £ - коэффициент сохранения заряда;

Ус - объём камеры сгорания.

Коэффициент сохранения заряда характеризует герметичность ЦПГ который находится по формуле:

(4)

т0

где т0 и тс - соответственно масса заряда в начале и конце такта сжатия.

С достаточной степенью точности давление и температура конца такта сжатия при пуске определяется уравнениями:

Рс=Ро-е%, (5)

Тс=Т0-ек/, (6)

где вф - фактическая степень сжатия.

При росте геометрической степени сжатия благодаря высокому давлению скорость истечения заряда через неплотности между поршнем и цилиндром возрастает. Температура дизеля практически не влияет на интенсивность потери заряда и на коэффициент сохранения заряда £ .

Потеря заряда характеризуется средним индикаторным давлением потерь, пропорциональным площади индикаторной диаграммы процессов сжатия-расширения без подачи топлива (рис.1)

Рис. 1 - Характеристика потерь давления в результате прорыва воздуха через неплотности

ЦПГ

Таким образом, установлено, что на утечки сжатой среды в большей степени оказывает влияние давления в конце такта сжатия, главным образам характеризующее герметичность надпоршневого пространства.

Зная абсолютное значение величины утечек воздуха, можно подсчитать давление конца сжатия р (универсальный диагностический параметр) по формуле:

кг/см2 , 7)

100,

е Рл - давление конца впуска, кг/см\ Ря = 0,85-0,96; п\- показатель политропы сжатия на пусковых оборотах, п\= 1,32; Д0, - доля утечки воздуха в процентах, от количества воздуха всасываемого в цилиндры.

Эти предпосылки, главным образом, повлияли на то, что в качестве диаг-стического параметра может быть принята разность расходов воздуха на впуске выпуске, отражающая неплотность цилиндропоршневой группы.

Величину расхода воздуха д через неплотности ЦПГ подсчитывают по обще-инятой формуле:

е = м3/с, (8)

; у/— коэффициент истечения потока воздуха;

Б — площадь неплотности; g- постоянная ускорения;

рс - среднее значение давления конца сжатия.

В нашем случае величина Рс является функцией неплотности. Для определе-

я давления конца сжатия, необходимого для дальнейших расчетов расхода воздуха, пользуемся зависимостью из теории размерностей, взяв за основу принятые допу-ния и заменив поступательную скорость перемещения поршня на частоту враще-я коленчатого вала двигателя, получим выражение для определения давления кон-сжатия в виде:

^ = кг/см2, (9)

: а - коэффициент пропорциональности; цг~' - кинематическая вязкость масла, м2/с; в - показатель степени (расчетная величина); рГ~ плотность газов, кг/м3;

от* - частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин.

Приняв в (8) и (9) значения а,рг,ш,у/,/л постоянными, получены следую-[е выражения для оценки давления конца сжатия и расхода воздуха:

Р= А- Б"'1, (10)

в+1

(П)

С учетом физического смысла уравнений (9-11) и анализа результатов экс-эиментов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя, дав-иы конца сжатия и величины расхода воздуха установлено, что значение «в» ижно находиться в диапазоне 0 - 1.

Из уравнений (10-11) видно, что величина расхода воздуха <2 имеет функциональную связь с неплотностью 5 ЦПГ.

Определив значения А и В по литературным данным, можно получить представление о характере изменения величин давления и расходов воздуха.

На основании вышеизложенного разработан способ оценки технического состояния ЦПГ по разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме без подачи топлива.

При работе двигателя в пусковом режиме часть газов на такте сжатие-расширение теряется в связи с неплотностью ЦПГ, поэтому применительно к этому режиму величина разности расходов воздуха будетопределяться как разность расходов воздуха на впуске и выпуске:

где Дд-разность расходов воздуха на впуске и выпуске;

(Эв- количество воздуха на впуске (впускной тракт) в цилиндры двигателя; Qвып~ количество воздуха на выпуске (выпускной тракт) из цилиндров дви гателя.

Применительно к цилиндропоршневой группе в случае герметичности вп> скного и выпускного трактов (включая клапанный механизм) формула (8) може быть представлена в виде:

где С = у/ ■л¡2g ■

Таким образом, с учетом сохранения условий по герметичности впускного выпускного трактов величина разности расходов воздуха из уравнения (13) може быть выражена в виде разности расходов воздуха на впуске и выпуске:

Очевидность связей в уравнении (14) и простота реализации дают основ! ние принять в качестве диагностического параметра технического состояния щ линдролоршневой группы разность расходов воздуха на впуске и выпуске при р; боте двигателя в пусковом режиме без подачи топлива.

Оценка предлагаемого способа в сравнении с базовым (контроль по давл нию конца сжатия) может быть осуществлена по оценке чувствительности.

Чувствительность рассматриваемых способов (реакция на величину н плотностей) может быть оценена по выражениям:

- по разности расходов воздуха (предлагаемый способ)

Д£? =Яв-Явып л/ияа'

(12)

(13

(14)

(15)

- по давлению конца сжатия (базовый способ для сравнения)

где 5,5, - соответственно значения неплотностей нормативной и в текущий момент контроля;

- по отношению способа "разности расходов воздуха" к способу "давление конца сжатия"

3.-1

де.

АР '

(17)

На основе выражений (15-17) можно проанализировать преимущества рассматриваемых способов. Результаты сравнительных расчетов при значении в ~ 3/4 (ориентировочное значение по результатам предварительных экспериментальных исследований) приведены на рис. 2. Из графиков рисунка видно, что показатель " разности расходов воздуха" имеет большую информативность (кривая 1), чем показатель "давление конца сжатия" (кривая 2), по которым можно оценивать техническое состояние ЦПГ двигателя. Относительная чувствительность А2/ДРС (кривая 3) меняется от 1,2 (при неплотности 2 мм2) до 1,4 (при неплотности 4 мм2).

Д&

АР,

с

А0_ АР,

1

2

? /у

__—-

12 3 4

Рис. 2 - Реакция диагностических параметров на величину неплотности ЦПГ

Таким образом, показано, что чувствительность предлагаемого способа выше по сравнению с базовым.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» приведена методика по обоснованию параметров оценки цилиндропоршневой группы по разности расходов воздуха на впуске и выпуске.

Исходя из поставленной цели, программа экспериментальных исследований предусматривала:

1. Исследование процесса утечки воздуха через неплотности ЦПГ.

2. Анализ опытных данных и оценка зависимости разности расходов воздуха на впуске и выпуске, характеризующие состояние ЦПГ от неплотности.

3. Производственная проверка предлагаемого способа оценки технического состояния ЦПГ.

При выборе объекта экспериментальных исследований исходили из того, что колёсные сельскохозяйственные тракторы Беларус МТЗ-80 и МТЗ-82 с двигателями Д-240 широко применяются в сельском хозяйстве. Кроме того, модификации данного дизеля в качестве силовой установки применяются и на грузовых автомобилях. Лабораторные испытания проводились на дизельном двигателе Д-240 с использованием необходимой контрольно- измерительной аппаратуры.

Для измерения расходов воздуха на входе и выходе из цилиндров двигателя использовались два расходомера термоанемометрического действия (датчики массового расхода воздуха ДМРВ-М) с их предварительной тарировкой и использованием специального лабораторного оборудования. Частота прокрутки коленчатог вала измерялась индуктивным датчиком легкового автомобиля ВАЗ 2110 см. рис.3. Сигналы от датчиков подаются к электронному блоку управления ЭБУ персональ ного компьютера (ПК), в который установлена плата (рс1 Ь 1711), работающая по принципу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). С помощью программного обеспечения производилась регистрация и обработка поступающих данных, которые выводились на блок индикации (БИ) персонального компьютера. В качестве Б1 выступал монитор, подключенный к ПК.

Исследования способа оценки технического состояния осуществляется еле дующим образом: к испытуемому двигателю 1 подсоединяли выше перечисленны устройства снятия сигналов. В форсуночные отверстия цилиндров двигателя устг навливались, с помощью специально разработанного приспособления, калибровое ные шайбы одинаковой неплотности. Изменения относительной неплотностей ЦП производились сменой калибровочных шайб с заданной пропускной способностьк С помощью пускового устройства прокручивали коленчатый вал двигателя с зада} ной частотой прокрутки с отключением подачи топлива в цилиндры двигателя.

Рис. 3 - Схема для реализации способа

2

3

Рис. 4 - Имитация изменения технического состояния ЦПГ

1 - запорный клапан; 2 - калибровочная шайба; 3 - форсунка двигателя; 4 -

калибровочное отверстие (имитация относительной неплотности ЦПГ)-

При проведении экспериментальных исследований необходимо было измерять и регистрировать следующие параметры:

- частоту прокрутки коленчатого вала;

- разность расходов воздуха на тактах впуска и выпуска;

- относительную неплотность ЦПГ.

Исследования проводились по плану полного факторного эксперимента. Для оценки всех коэффициентов полинома второй степени, в силу небольшого числа факторов, проводим исследования по плану полного факторного эксперимента, в котором две переменные варьируются на трёх уровнях. В качестве факторов были выбраны: частота прокрутки коленчатого вала и относительная неплотность ЦПГ. I На основании экспериментальных исследований при оценке технического

состояния цилиндро-поршневой группы и камеры сгорания предложенным способом, сделан вывод о том, что для получения максимальной чистоты опытов необходимо обеспечить частоту прокрутки коленчатого вала равными 200 об/мин.

С целью исключения дополнительных ошибок измерительная аппаратура калибровалась до и после каждой серии опытов по уровням неплотности.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследова-I ний оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме без подачи топлива, их анализ и выводы, а также разработанная технология оценки технического состояния ЦПГ.

Эксперименты проводились как в лабораторных, так и производственных условиях. Лабораторные исследования проводились в соответствии с вышеизложенной методикой на двигателе модели Д-240 .

По итогам результатов лабораторного эксперимента получена зависимость, которая отражает высказанное в гипотезе предположение о том, что величина разности расходов воздуха на впуске и выпуске может быть использована для оценки технического состояния цилиндропоршневой группы. Предположение о существо-

вании линейной связи между выбранной функцией отклика и величиной относ тельной неплотности получило подтверждение (рис5,6).

ДС1,л/м Рс,кг/см2

в.мм2

Рис. 5 - Влияние неплотности на диагностические параметры двигателя Д-240

- для разности расходов воздуха; — - для давления конца сжатия.

Из графика видно, что значение величины разности расходов воздуха ра] ные 10, 35 и 45 л/м соответственно, соответствуют номинальному, допустимому предельному техническому состоянию ЦПГ.

По полученным результатам экспериментальных исследований, получил зависимости разрешающей способности предлагаемого способа, и способа по да] лению конца сжатия (рис.7).

Рис. 7 - Оценка способов Д 0 и Рс от величины неплотности

- для разности расходов воздуха;

- для давления конца сжатия.

Из графика видно, что оценка технического состояния цилиндропоршневой группы по разности расходов воздуха несет в себе большую информативность, чем базовый способ (при неплотности 8,5мм2 по отношению величины разности расходов значение равно 3,3, а по давлению конца сжатия 1,8).

Целью обработки экспериментальных данных является получение функциональной зависимости Д0 = /(Рд%) = /(п,$)- Для построения математической

модели использовался регрессионный анализ. Экспериментальные данные предварительно аппроксимировались функцией вида: у = Ь0 + Ьх Хь+ Ь2 Х2 + Ь3 Хх2.+ ¿>4 Х22 + ЬъХх Х2, где подХ( подразумевается п и поя Х2 - 5.

Значимость коэффициентов проверяли по критерию Стьюдента. Адекватность полученных зависимостей оценивались коэффициентами Фишера. В работе после исключения незначимых коэффициентов получена регрессионная зависимость, отражающая связь функции отклика с исследуемыми факторами, которая имеет вид (рис.8):

Д0 = = 4,94 + 4,41 п + 4,58 5

где ДQ - разность расходов воздуха;

/(р^) - функция давления конца сжатия по разности расходов; п - скорость прокрутки коленчатого вала; 5- неплотность ЦПГ

да, 50

л/мин „„ 40

30

20

10

0

0 2 4 6 8

в, мм2

Рис. 8 - Зависимость разности расходов воздуха от величины неплотности

Регрессионный анализ экспериментальных данных подтвердил предположение о возможности оценивать техническое состояния ЦПГ по разности расходов воздуха, высказанное в гипотезе исследования.

Результаты лабораторных исследований проверялись в производственных условиях, последовательно используя базовый (по давлению конца сжатия) и предлагаемый способы на одном и том же двигателе и последующим сравнением полученных результатов.

Производственные испытания состояния цилиндропоршневой группы проводили на станции технического обслуживания СТО ООО «СибирьДизельСервис»,

непосредственно занимающейся диагностированием мобильной техники, в т.ч. ДВС. Оценка технического состояния ЦПГ проводилась на двигателях автомобилей, поступавших на диагностику ДВС. Результаты сравнительных исследований представлены на рис. 9. На нем двигатели 1-й группы имеют номинальное техническое состояние ЦПГ, двигатели 2-йгруппы - завышенную величину разности расходов воздуха (отклонение от нормальной величины составляет 15 - 20%, допустимое техническое состояние ЦПГ), а 3-я группа - предельное техническое состояние по параметру неплотности ЦПГ.

А О, л/м Рс,,кг/см2

го

№ группы

......"-■"■•■-■^........

Разность расходов воед-ха □ Давление конца сжатия

Рис. 9 - Результаты производственных испытаний

Как видно из гистограмм рисунка, оценка технического состояния ЦПГ может быть произведена любым из рассматриваемых способов. Вместе с тем, предлагаемый способ из-за меньшей трудоемкости и приемлемой точности более предпочтителен.

Таким образом, можно предположить, что данный способ оценки технического состояния ЦПГ может иметь большие перспективы, если будут расширены его диагностические возможности для различных марок дизельных двигателей.

Для этой цели были предложены поправочные коэффициенты, рассчитываемые следующим образом.

1. Поправка разности расходов воздуха по геометрическим размерам гильзы цилиндра.

дб7=де 09)

где А О1 - разность расходов воздуха для проверяемого двигателя; ка - коэффициент поправки по диаметру гильзы цилиндра.

Коэффициент к(] для двигателей с монтажным зазором 8 в ЦПГ, равным личине базового двигателя, рассчитывается по формуле:

А

К =ТГ' (2°)

иъ

1е - диаметр гильзы цилиндра проверяемого двигателя; Оь - диаметр гильзы цилиндра базового двигателя.

Для двигателей с другим монтажным зазором - по следующей формуле:

оь А

(е 81 - величина монтажного зазора проверяемого двигателя; дь - величина монтажного зазора базового двигателя. 2. Поправка по частоте прокрутки коленчатого вала.

АО'=кп-Ад, (22)

1е кп- поправочный коэффициент, определяемый либо по графику (рис. 9, ось

5сцисс), либо в зависимости от частоты прокрутки коленчатого вала проверяемого зигателя по формуле.

¿„=1,44-0,4-и,,™ (23)

зе поти - отношение базовой частоты прокрутки коленчатого вала к частоте прокрутки проверяемого двигателя.

п. об/мин

Рис.9- К определению поправочного коэффициента

3. Поправка по геометрической степени сжатия (нормативные значения)

AQ'=AQ-kE, &

где к£- поправочный коэффициент по степени сжатия, определяющийся по ел» дующей формуле:

к.=.

г \п>

£

\СЬ J

(2:

где £■, - степень сжатия проверяемого двигателя; еь - степень сжатия базового двигателя;

и, - показатель политропы сжатия.

Разброс геометрической степени сжатия двигателей одного класса находится в пределах 15-16,5. Расчетами показано, что без корректировки погрешность измерения не превышает ± 2,5%. !

В соответствии с целью работы, на основании выдвинутой гипотезы резул! татами теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена во: можность создания способа диагностирования двигателей, обеспечивающего дост; точную для практики эксплуатации точность и сравнительно низкую трудоемкост: В связи с этим была разработана технология диагностирования ЦПГ на основе ра: работанного способа. Ниже приведена общая схема технологии (рис. 11) и выпо.1 няемые операции при оценке технического состояния ЦПГ.

Рис,-

11

Общая схема последовательности оценки технического состояния ЦПГ

1. Подготовить приборы к измерениям:

а) произвести тестирование измерительных устройств датчиков массового расхода воздуха (ДМРВ) с помощью эталонного ДМРВ;

б) включить персональный компьютер и запустить программное обеспечение, включающее в себя расчетные формулы (19-25), корректирующие базовое значение разности расходов воздуха;

в) ввести в окно открывшейся программы нормативные данные проверяемого двигателя (диаметр гильзы цилиндра, степень сжатия, частоту вращения коленчатого вала на пусковом режиме).

2. Подготовить двигатель к диагностированию:

а) прогреть двигатель до рабочего теплового режима;

б) во время прогрева проверить герметичность во впускном и выпускном трактах двигателя. При их наличии - устранить;

в) снять воздушный фильтр с двигателя;

г) отсоединить глушитель от выпускной трубы.

3. Установить ДМРВ к впускному и выпускному трактам двигателя, обеспечив герметичность соединения,

4. Установить индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя.

5. Подключить измерительные устройства к ЭБУ ПК

6. Выключить подачу топлива основного двигателя.

7. Прокрутить двигатель в пусковом режиме в течении 10 сек.

8. Сравнить измеренное значение разности расходов воздуха с нормативным и дать заключение о техническом состоянии ЦПГ.

9. Установить на двигатель воздушный фильтр и глушитель. РЕКОМЕНДАЦИИ: при отклонении величины разности расходов от нормативного значения, двигатель направляют в ремонт для устранения неисправностей.

Данная технология внедрена на одной из станций технического обслуживания города Новосибирска. Получен акт о внедрении.

Экономический эффект от предложенной технологии достигается за счет сокращения продолжительности постановки диагноза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Несвоевременный контроль технического состояния ЦПГ обуславливает работу двигателя с пониженной экономичностью и экологической безопасностью, ухудшает пусковые качества двигателя. Одной из причин такого положения является недостаточная обеспеченность в сфере использования средствами оперативного контроля, ограниченностью результатов научных исследований в данном направлении. Изложенное предопределяет необходимость дальнейших исследований совершенствованию способов и средств контроля технического состояния ЦПГ двигателей.

2. Установлено влияние неплотности ЦПГ на величину разности расходе воздуха на впуске и выпуске при работе двигателя в пусковом режиме. Последш дает основание использовать разность расходов воздуха на впуске и выпуске в к; честве диагностического параметра.

3. Разработан способ оценки технического состояния ЦПГ для дизельны двигателей при работе их в пусковом режиме по разности расходов воздуха ь впуске и выпуске, измеряемые с помощью термоанемометрических датчиков ма< сового расходов воздуха. Измеренные параметры подаются на вход компьютера одновременной регистрацией скорости прокрутки двигателя. Новизна способа з; щищена патентом РФ (Пат.2336513).

4. Разработана регрессионная модель, характеризующая зависимость разго сти расходов воздуха от величины относительной неплотности и скорости прокру ки при оценке технического состояния ЦПГ. Модель позволяет оценивать велтн ну разности расходов воздуха в зависимости от неплотности с погрешностью, и превышающей 5%.

5. Трудоемкость оценки технического состояния ЦПГ по предложенно технологии в 4-5 раз меньше в сравнении с базовой за счет резкого сокращен« вспомогательных операций. Технология ориентирована на реализацию в условия эксплуатации.

6. Разработана технология оценки технического состояния, включающа такие операции, как: подготовка двигателя и измерительных средств к диагностирс ванию, ввод в компьютер нормативных значений проверяемого двигателя (диамет цилиндра, степень сжатия, частота вращения коленчатого вала при пуске) для KOf ректировки измеряемого значения, измерение разности расходов воздуха и сравш ние его с нормативным значением с последующей оценкой технического состояни ЦПГ двигателя.

7. Экономический эффект от предложенной технологии достигается за сче сокращения продолжительности операции диагноза. Ожидаемая экономия от ein жения затрат при диагностировании четырех цилиндрового двигателя составит 64 , рубля за одно проведенное диагностирование.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Воронин Д.М. Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания. / Д.М. Воронин, А.Ю. Понизовский // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - №2. - С. 26-27.

Публикации в описаниях на изобретения, сборниках научных трудов

2. Понизовский А.Ю. Контроль технического состояния цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания по разности расхода воздуха / Д.М. Воронин, A.A. Малышко, А.Ю. Понизовский II Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири: Научно-практическая конференция, посвященная 100-ю со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова. - Новосибирск: ГНУ СибИМЭ, 2008. - С. 114-118.

3. Понизовский А.Ю.Разрешающая способность способа контроля техни-ского состояния цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по разности сходов воздуха / А.Ю. Понизовский // VI межрегиональная научно-практическая нференция. - Барнаул: Алтайский ГАУ, 2008. - С. 99-101.

4. Понизовский А.Ю. Определение величины утечек воздуха в зависимости степени изношенности цилиндропоршневой группы / А.Ю. Понизовский // Ма-риалы ежегодной научно-практической конференции студентов и аспирантов [женерного института. - Новосибирск: НГАУ ИИ, 2008. - С. 118-119.

5. Пат. 2336513 Российская Федерация, МПК С01М 15/00. Способ оценки хнического состояния двигателя внутреннего сгорания / Д.М. Воронин, А.Ю. По-¡зовский, А.А. Малышко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Новосибир-ий гос. аграр. универ. Инж. ин-т; заявл. 24.10.06; опубл. 20.10.2008, Бюл. №29. - 6

6. Понизовский А.Ю. Анализ основных инструментальных способов кон-оля состояния цилиндропоршневой группы / А.Ю. Понизовский // Современные перспективные технологии в АПК Сибири: Научно-практическая конференция. :зисы докладов. - Новосибирск: НГАУ, 2006. -С. 123-124.

7. Понизовский А.Ю. Контроль технического состояния цилиндропоршне-й группы двигателя внутреннего сгорания. / А.Ю. Понизовский // Материалы учно-практической конференции Инженерного института. - Новосибирск: ИИ,

Ю9,- Ч. 1,-С. 35-37.

Подписано в печать 22.03.2010 г. Формат 60x84 '¡¡6. Объем 1 п. л. Заказ № 44. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИИЦ ЦНСХБ СО Россельхозакадемии 630501, Новосибирская обл., пос. Краснообск

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Эффективность работы дизельного двигателя и состояние его ци-линдропоршневой группы.

1.2 Характеристика методов и средств контроля ЦПГ.

1.3 Цель работы, гипотеза, и задачи исследования.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ СПОСОБА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДИЗЕЛЯ ПО РАЗНОСТИ

РАСХОДОВ ВОЗДУХА.

2Л Теоретические исследования определения неплотности ЦПГ.

2.2 Рабочий цикл дизеля при пуске.

2.3 Выбор диагностического параметра при оценке технического состояния ЦПГ.

2.4 Влияние клапанного механизма на значения разности расходов.

2.5 Корректировка при определении величины неплотности цилиндропоршневой группы другой модели двигателя.

2.6.Оценка технического состояния ЦПГ по разности расходов воздуха.

2.7 Качественная оценка способа по разности расходов в сравнении с давлением конца такта сжатия.:.

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Экспериментальное моделирование о возможности применения в качестве диагностического параметра величину разности расходов воздуха.

3.2 Цель и задачи экспериментальных исследований.

3.3 Общая схема экспериментальных исследований

3.4 Выбор отклика, числа факторов, уровней варьирования факторов и матрицы планирования эксперимента.

3.5 Экспериментальная установка, регистрируемые параметры, приборы и оборудование.

3.6 Последовательность проведения эксперимента и обработки измерительных данных.

3.7 Погрешность измерений.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Результаты предварительной оценки возможности использования зависимости разность расходов воздуха от неплотности ЦПГ двигателя для ее оценки.

4.2 Обработка экспериментальных данных для получения зависимостей по разности расходов воздуха от неплотности ЦПГ двигателя.

4.3 Результаты экспериментальных исследований способом по разности расходов воздуха и по давлению конца сжатия.

4.4 Погрешность проведения диагностирования предложенным способом.

4.5 Апробация предложенного способа оценки по разности расходов воздуха.

Неплотность цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и камеры сгорания является одним из важных параметров технического состояния, существенно влияющих на эффективную работу двигателя. При увеличении неплотности ЦПГ снижаются такие технико-экономические показатели, как эффективная мощность, удельный и часовой расход топлива, повышается температура выхлопных газов, увеличивается количество вредных выбросов в атмосферу, значительно ухудшаются пусковые качества, снижается долговечность двигателя [6,7,8,9,61].

Отклонение мощности от номинальных значений негативно сказывается на работе машинно-тракторного агрегата (МТА). Уменьшение мощности приводит к снижению производительности, и как следствие — увеличению сроков выполнения сельскохозяйственных работ. Увеличение мощности сверх номинальной приводит к перерасходу горюче-смазочных материалов (ГСМ), быстрому износу ресурсоопределяющих деталей двигателя.

Анализ работы МТА показывает, что простои различной техники при уборке достигают 50%, а на пахоте до 35% от суммарного времени работы МТА [27,59,62].

По соотношению числа отказов двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на примере цилиндропоршневой группы занимает второе место (20 %) после топливной аппаратуры (45%) [2,17,31].

На долю двигателя приходится по отдельным типам машин до 50 % основных неисправностей, а трудоемкость устранения может достигать 40 % общего времени устранения отказов и неисправностей машин [61].

С этой целью проводится широкий комплекс работ, связанных с повышением долговечности МТА. Не последнее значение при этом имеет вопрос, связанный с технической диагностикой машин, которая позволяет уменьшить расходы на техническое обслуживание (ТО) и ремонт, сократить простои МТА из-за внезапного отказа, возникшего по техническим причинам, контролировать состояние узлов и агрегатов машин [53,71,72].

Успешное решение данного вопроса возможно при комплексном подходе, предполагающем разработку и внедрение новых методов оценки состояния двигателя влияющего на эффективные показатели работы МТА. Их внедрение позволяет в 2,5 раза уменьшить число отказов и снизить простои машин по техническим неисправностям, увеличить межремонтный ресурс в 1,5-2 раза, на 3040 % снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт [60,74, 75].

По мере совершенствования конструктивно-технологических элементов машин (в первую очередь ДВС) повышаются требования к оборудованию технического сервиса. Не в последнюю очередь эти требования касаются и средств технической диагностики, где наблюдается заметное отставание в части развития новых методов диагностирования, способных существенно повысить достоверность диагноза при одновременном снижении его трудоемкости. В настоящее время существующие методы и способы оценки технического состояния цилиндропоршневой группы не обеспечивают в полной мере поставленную им техническую задачу. Поэтому они должны быть улучшены, усовершенствованны за счет разработки новых методов, позволяющих сократить затраты труда и материальных ресурсов за счет сокращения разборочно-сборочных работ, и повысить информативность диагноза при контроле. Таким образом, контроль технического состояния ЦГТГ имеет практическую и научную значимость.

Проблемой технической диагностики тракторов и автомобилей занимались ГОСНИТИ, ВИМ, ВСХИ, СибИМЭ, НАТИ и другие научно-исследовательские учреждения. [76,77,78].

Научные основы технической диагностики машин изложены в работах Г.В. Веденяпина, Н.С. Ждановского, И.Е. Ульмана, В.М. Михлина, В.М. Лившица, И.П. Терских и других ученых. Методы и средства технической диагностики двигателей разрабатывали В.И. Вельских, И.П. Добролюбов, В.Ф. Синий, В.М. Лившиц, И.П. Терских, A.A. Моносзон, В.Д. Костин, В.М. Рогожкин и др.[11,24,28,29,30,32,47,54].

В данной работе исследована возможность использования параметра (разность расходов воздуха) в пусковом режиме двигателя без подачи топлива, для оценки цилиндропоршневой группы дизельного двигателя.

Объект исследования. Процесс изменения неплотностей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания в условиях эксплуатации.

Предмет исследования. Закономерности изменения неплотностей цилиндропоршневой группы в зависимости от технического состояния и режима работы двигателя.

Научная гипотеза. В качестве параметра оценки технического состояния цилиндропоршневой группы может быть использовано значение разности расходов воздуха на впуске и выпуске двигателя в пусковом режиме без подачи топлива.

Научная новизна. Обоснован оперативный способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя по разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме. Новизна предложенного способа подтверждена патентом РФ (Пат. 2336513).

Разработана математическая модель, характеризующая зависимость разности расходов воздуха от неплотности цилиндропоршневой группы.

Разработана технология оценки технического состояния ЦПГ дизельных двигателей.

Практическая значимость. Разработанная технология позволяет упростить процесс оценки технического состояния ЦПГ, сократить его продолжительность и трудоемкость, повысить достоверность и точность диагноза и снизить общие затраты при эксплуатации машинно-тракторного агрегата (МТА) на техническое обслуживание и ремонт.

На защиту выносятся:

- разработанный способ оценки технического состояния ЦПГ по разности расходов воздуха в пусковом режиме без подачи топлива;

- технология оценки технического состояния ЦПГ дизельных двигателей;

- результаты технико-экономического обоснования эффективности проведенных научных исследований.

Реализация результатов исследования. Разработанная технология оценки технического состояния ЦПГ реализована в условиях предприятия технического сервиса г. Новосибирска ООО «Сибирь Дизель Сервис».

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы № 01.200.201127 «Оперативный контроль состояния ЦПГ автотракторных дизелей».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:

1. на Международной научно-практической конференции «Современные и перспективные технологии в АПК Сибири» (г. Новосибирск, 2006 г.);

2. на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (г. Новосибирск, п. Краснообск, 2008 г.);

3. на VI Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов Сибирского федерального округа «Научное и инновационное обеспечение АПК Сибири» (г. Барнаул, 2008 г.);

4. на VII Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов аграрных вузов Сибирского федерального округа (г. Новосибирск, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе одна в издании, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий», рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включающего 11 таблиц, 29 рисунков, библиографического списка литературы из 84 наименований и 6 приложений.

4.6 Общие выводы экспериментальных исследований

1. Установлено, влияние неплотности ЦПГ на величину разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме без подачи топлива. Последнее дает основание использовать разность расходов воздуха на впуске и выпуске в качестве диагностического параметра при оценке технического состояния ЦПГ двигателя. Абсолютные значения данной зависимости равными 10, 35,45 л/мин соответственно соответствуют номинальному, допустимому и предельному техническому состоянию ЦПГ исследуемого двигателя.

2. Произведён регрессионный анализ опытных данных. Получена математическая модель, описывающая связь между факторами, определяющими техническое состояние ЦПГ двигателя, и параметрами оптимизации. Определена разрешающая способность предложенного способа в сравнении с базовым. Получена зависимость, позволяющая определить наработку исследуемого двигателя, исходя из параметра неплотности ЦПГ.

3. Получен акт о внедрении предложенного способа (см. Приложение

Е).

ГЛАВА 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5Л Технологическая схема оценки технического состояния цилиндропоршневой группы дизельных двигателей

В соответствии с целью работы, на основании выдвинутой гипотезы разработана технологическая схема оценки технического состояния ЦПГ дизельных двигателей на основе предложенного способа.

Ниже приведена схема технологического процесса (рис. 5.1) и выполняемые операции при оценке технического состояния ЦПГ.

1. Подготовить приборы к измерениям: а) произвести тестирование измерительных устройств датчиков массового расхода воздуха (ДМРВ) с помощью эталонного ДМРВ; б) включить персональный компьютер и запустить программное обеспечение, включающее в себя расчетные формулы (2.14 -2.19), корректирующие базовое значение разности расходов воздуха; в) ввести в окно открывшейся программы нормативные данные проверяемого двигателя (диаметр гильзы цилиндра, степень сжатия, частоту вращения коленчатого вала на пусковом режиме).

2. Подготовить двигатель к диагностированию: а) прогреть двигатель до рабочего теплового режима; б) во время прогрева проверить герметичность во впускном и выпускном трактах двигателя. При их наличии — устранить; в) снять воздушный фильтр с двигателя; г) отсоединить глушитель от выпускной трубы.

3. Установить ДМРВ к впускному и выпускному трактам двигателя, обеспечив герметичность соединения,

4. Установить индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя.

5. Подключить измерительные устройства к ЭБУ ПК

6. Выключить подачу топлива основного двигателя.

7. Прокрутить двигатель в пусковом режиме в течении 10 сек.

8. Сравнить измеренное значение разности расходов воздуха с нормативным и дать заключение о техническом состоянии ЦПГ.

9. Установить на двигатель воздушный фильтр и глушитель. РЕКОМЕНДАЦИИ: при отклонении величины разности расходов от нормативного значения, двигатель направляют в ремонт для устранения неисправностей.

Рисунок 5.1 - Схема технологического процесса оценки технического состояния ЦПГ двигателя.

5.2 Расчет технико-экономической эффективности

Расчеты экономической эффективности внедрения выполняемых технологических операций по оценке технического состояния ЦПГ двигателя, проводились в соответствии с ГОСТ 23728-88, и «Методикой определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники [17,34,51].

Экономический эффект от разработанной технологической схемы достигается за счет сокращения продолжительности постановки диагноза.

В качестве базовой, выбрана технология оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по давлению в конце такта сжатия. Трудоемкость операций по базовому и предлагаемому варианту диагностирования определялась с учетом типовых норм времени на ремонт и технологических карт по техническому обслуживанию тракторов [75]. Перечень операций, их трудоёмкость по двум вариантам представлен в таблицах 5.1-5.3 и 5.4.

84