Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 11
1.1. Изменение технического состояния МГР ДВС в процессе эксплуатации 11
1.2. Анализ методов и средств диагностирования МГР ДВС 21
1.3. Методика обработки и оценочные показатели внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала при диагностировании ДВС 32
1.4. Выводы, цель и задачи исследования 37
2. Аналитическое обоснование способа диагностирования МГР по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала 40
2.1. Теоретические предпосылки использования показателей внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала для диагностирования МГР ДВС 40
2.2. Теоретическое обоснование способа диагностирования элементов МГР по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала 44
2.2.1. Обоснование способа диагностирования общего технического состояния МГР 44
2.2.2. Обоснование поэлементного способа диагностирования технического состояния МГР 49
2.3. Выводы 56
3. Методика и оборудование для экспериментальных исследований 57
3.1. Программа и оборудование для экспериментальных исследований 57
3.1.1. Устройство для измерения мгновенных значений угловой скорости коленчатого вала ДВС 57
3.2. Методика экспериментальных исследований 65
3.3. Методика обработки результатов исследования 72
4. Результаты экспериментальных исследований 77
4.1. Зависимость износа элементов МГР в процессе эксплуатации 77
4.2. Определение значения составляющей мощности механических потерь ДВС на привод МГР 84
4.3. Зависимости угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота при прокручивании декомпрессированного двигателя стартером от технического состояния МГР 87
4.4. Метрологическая оценка способа диагностирования МГР по параметрам внутрицикловых значений угловой скорости коленчатого вала на режиме прокрутки декомпрессированного ДВС 92
4.4.1. Оценка погрешности измерительной системы, реализующей способ общего диагностирования технического состояния МГР ДВС 92
4.4.2. Оценка погрешности измерительной системы, реализующей способ поэлементного диагностирования технического состояния МГР ДВС 98
4.5. Выводы 100
5. Технико-экономическая эффективность результатов исследования 102
5.1. Нормативы и технология диагностирования МГР ДВС 102
5.2. Экономическая эффективность результатов исследования 105
5.3. Выводы 108
Общие выводы 109
Список использованных источников 111
Приложения 125
- Изменение технического состояния МГР ДВС в процессе эксплуатации
- Обоснование способа диагностирования общего технического состояния МГР
- Зависимость износа элементов МГР в процессе эксплуатации
- Экономическая эффективность результатов исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Повышению эффективности эксплуатации ДВС в значительной мере способствует совершенствование методов и средств управления работоспособностью систем и механизмов ДВС по фактическому их техническому состоянию. Существующие методы определения технического состояния механизма газораспределения (МГР) трудоёмки, требуют частичной разборки ДВС и не являются универсальными по принципу действия применительно к другим диагностируемым элементам двигателя.
Одно из перспективных направлений совершенствования методов и средств диагностирования двигателей предусматривает создание универсальной, бортовой (встроенной) системы, основанной на анализе показателей внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала (ВИУСКВ).
В связи с этим разработка более точного и оперативного способа и технологии диагностирования технического состояния МГР по показателям ВИУСКВ являются актуальными задачами повышения эффективности использования ДВС.
Исследование выполнено в соответствии с планом НИР Саратовского
государственного технического университета (СГТУ) 12В. 01
«Разработка научных основ технологий обеспечения работоспособности автотранспортных средств и других машин» по созданию универсальных способов бесстендового диагностирования систем и механизмов ДВС по показателям ВИУСКВ и фундаментального научного направления «Разработка теоретических основ адаптивного управления ДВС по показателям ВИУСКВ» (НИР «СГТУ - 234 - 2008», № госрегистрации - 01200503808).
Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации ДВС путем разработки способа и технологии диагностирования МГР по показателям ВИУСКВ. Задачи исследования:
по результатам статистических данных определить зависимость износа основных элементов МГР в процессе эксплуатации;
теоретически обосновать способы общего и поэлементного диагностирования технического состояния МГР по показателям ВИУСКВ в режиме прокручивания ДВС стартером;
усовершенствовать методику обработки массива мгновенных значений угловых скоростей коленчатого вала по углу его поворота в режиме прокручивания ДВС стартером и определить метрологические характеристики разработанного способа;
разработать технологию, диагностические нормативы и устройство для диагностирования технического состояния МГР;
- оценить экономическую эффективность результатов исследования.
Объект исследований. Двигатель 44 9,2/9,2 автомобилей ГАЗ и УАЗ.
Предметом исследований являются взаимосвязь технического состояния
МГР и показателей ВИУСКВ в режиме прокручивания декомпрессированного ДВС стартером.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений динамики ДВС, технической эксплуатации автомобилей, теоретической механики, аппарата дифференциальных уравнений, надежности, математической статистики и моделирования. Эксплуатационные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях как с использованием общепринятых методик, оборудования, так и разработанных лично автором или с его участием.
Достоверность научных положений работы обуславливается использованием фундаментальной теории динамики ДВС, обоснованностью принятых допущений при разработке расчетных моделей и высокой сходимостью экспериментальных результатов с аналитическими исследованиями, а также сравнительным анализом полученных результатов с данными других авторов.
Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании способов общего и поэлементного диагностирования МГР по показателям ВИУСКВ в режиме прокручивания декомпрессированного двигателя стартером. Способ защищен патентом РФ №2386941.
На защиту выносятся:
зависимость износа кулачков распределительного вала ДВС от пробега;
теоретическое обоснование способов общего и поэлементного диагностирования технического состояния МГР по показателям ВИУСКВ в режиме прокручивания декомпрессированного ДВС стартером;
результаты аналитических и экспериментальных исследований зависимости ВИУСКВ в режиме прокручивания декомпрессированного ДВС стартером от технического состояния элементов МГР;
методика обработки массива мгновенных значений угловых скоростей коленчатого вала по углу его поворота, нормативы, технология, метрологическая оценка способа и устройства диагностирования МГР ДВС;
- технико-экономическая оценка результатов исследования.
Практическая ценность работы состоит в разработке устройства и
технологии диагностирования МГР ДВС по показателям ВИУСКВ.
Пути реализации работы. Результаты исследований внедрены в НТЦ «Механик-Т» НТП «Волга - техника» СГТУ и могут быть использованы при доводочных испытаниях новых конструкций ДВС, совершенствовании методов диагностирования элементов системы «ДВС - трансмиссия» автомобилей и при разработке адаптивных систем автоматического управления работой ДВС.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и получили одобрение на: международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК ЛЭРЭП)» (Саратов, СГТУ, 2007); МНК «Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50)» (Саратов, СГТУ, 2009); МНПК «Информационные технологии, системы и приборы в АПК (АГРОИНФО-2009)» (Новосибирск, ГНУ СибФТИ, 2009); VI МНТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, ПГУАС, 2010); ежегодном постоянно действующем межгосударственном
научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, СГАУ, 2008... 2010); VI Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, СГАУ, 2011); ежегодных НТК ВолгГТУ (Волгоград,2011);НТКСГТУ (Саратов,2007.. .2011).
Диссертационная работа заслушивалась на расширенном заседании кафедр "Автомобили и двигатели" и "Автомобили и автомобильное хозяйство" СГТУ в 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в изданиях из списка ВАК и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Содержит 124 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 36 рисунков. Список использованной литературы включает 132 наименований, из них 15 - на иностранном языке.
Изменение технического состояния МГР ДВС в процессе эксплуатации
Механизм газораспределения (МЕР) современного автотракторного ДВС определяет качество процессов газообмена и является одним из ключевых устройств, функциональное назначение и конструкция которого во многом предопределяют технический уровень и потребительские свойства ДВС. На долю МЕР приходится более 25% отказов и неисправностей, свыше 7% суммарной трудоёмкости технического обслуживания и ремонта ДВС [14, 20, 30].
Работа элементов МЕР осуществляется в условиях высоких динамических нагрузок, тепловых и коррозионных воздействий. Его детали подвергаются весьма разнообразным условиям трения. Особо сложен процесс взаимодействия кулачка распределительного вала с тарелкой толкателя. Напряжение сжатия на вершине кулачка достигает столь больших значений, что может вызвать разрыв масляной пленки и непосредственное взаимодействие металлов в режиме сухого трения [3, 4, 14, 18, 20, 30, 61]. На рисунке 1.1 показан характерный износ кулачков распределительного вала при работе МЕР в отсутствии смазки, на котором отчетливо видны следы их трения с толкателями. В результате изнашивания кулачка притупляется его вершина, что вызывает уменьшение параметра «время - сечение» впускных или выпускных клапанов.
Трение стержня клапана в направляющей втулке в большинстве случаев осуществляется при граничной смазке, а иногда приобретает характер полусухого, а для выпускных клапанов даже сухого трения. Тяжелые температурные условия трения пары усугубляются возможной эксцентричной посадкой клапана на седло. Всё это сказывается на повышении удельного давления на контакте и способствует возникновению задира, преждевременного износа и нарушения работоспособности сопряжения. Повышенный расход масла возникает при повышенном износе стержней Ж ; клапанов или их уплотнительных сальников. Зазор между торцом стержня клапана и соответствующей деталью привода (коромыслом, толкателем или кулачком - в зависимости от конструкции механизма газораспределения) существенно влияет как на надежность двигателя, так и на протекание рабочего процесса.
Общепринято [14, 20, 29, 30, 31, 38, 67], что эффективность работы МГР износостойкостью деталей и неразрывностью их кинематических связей, герметичностью сопряжения «седло-клапан», параметрами «время-сечение» клапанов и мощностью, затрачиваемой на его привод.
Степень соответствия реальной диаграммы «время-сечение» требуемой зависит от значений фаз (углов) начала открытия-закрытия клапанов и максимального хода их подъёма, которые, в основном, определяются износами профиля кулачков распределительного вала. Уменьшение параметра «время сечение» впускных или выпускных клапанов снижают эффективные, экономические и экологические показатели двигателя. Например, при износе кулачков распределительного вала на 0,5...0,9 мм эффективная мощность четырехцилиндровых двигателей ЗМЗ снижается на 3...7%, а расход топлива и негативное воздействие отработавших газов увеличиваются на 4% [58, 101, 114, 116]. Не случайно, в руководстве по техничеекому обслуживанию и ремонту привода МГР двигателей ЗМЗ [95] указано, что при повышенном расходе топлива в процессе эксплуатации автомобиля, снижении тяговых свойств и неустойчивой работы двигателя следует проверить и, при необходимости, скорректировать фазы газораспределения до нормативных их значений. Для этой цели в конструкции фиксации углового положения звездочек распределительных валов ДВС предусмотрены места для сверления дополнительных отверстий под установочный штифт, что позволяет смещать звёздочки при восстановлении фаз газораспределения на величину их рассогласования.
Подобные технологии проверки фаз газораспределения считаются трудоёмкими, требуют высокой квалификации исполнителя; при использовании комплекта оснастки, разработанной на ОАО «ЗМЗ», необходима частичная разборка ДВС (снятие крышки клапанов с прокладкой, уплотнителями свечных колодцев, катушками зажигания и высоковольтными проводами). По этим причинам многие автотранспортные средства эксплуатируются с неисправностями МГР, то есть с более низкими технико-эксплуатационными показателями ДВС.
Именно контроль параметров технического состояния кулачков распределительного вала, фаз открытия-закрытия клапанов и мощности механических потерь в МГР современных высокооборотных ДВС, имеющих клапанные пружины повышенной жесткости и значительные контактные нагрузки в кулачковых парах, относят к наиболее важным операциям при доводочных испытаниях ДВС и диагностировании его технического состояния в процессе эксплуатации. Сложность диагностирования рассматриваемых элементов МГР заключается в обязательной конкретизации (на последнем этапе) детали, сопряжения или элемента, имеющего минимальный ресурс.
Последовательно-параллельная работа идентичных по конструкции и сЬункционально зависимых звеньев КШМ, ЦПГ и МГР многоцилиндровых двигателей характеризуется значительным рассеиванием технического состояния одноименных сопряжений.
Обследованные партии распределительных валов (не менее 30 единиц в каждой), снятых с двигателей ВАЗ, ЗМЗ, ЗИЛ, КамАЗ, ЯМЗ, имеющих пробег свыше 80 тыс. км, с учетом данных других исследователей [37, 38, 73] показали что только 1/6 часть из них отвечает техническим требованиям. Например при микрометрировании кулачков распределительных валов двигателей КамАЗ-740, поступивших в капитальный ремонт [30, 38], из-за недопустимого износа профиля кулачков 99% распределительных валов требовали ремонтных воздействий: у кулачков выпускных клапанов среднее значение износа составило 1,276 мм, впускных - 1,143 мм при средних квадратичных отклонениях 0,950 и 0,808 соответственно. Удельный вес кулачков, ремонт которых возможен путём механической обработки, среди выпускных кулачков был почти в 2 раза ниже, чем впускных (29,7% против 53,27%). Основная причина выбраковки - повышенный износ профиля одного-двух кулачков (для большинства двигателей легковых автомобилей допустимый износ профиля кулачка по высоте не превышает 0,6 мм). Для всех типов двигателей характерен относительно больший износ кулачков, работающих с выпускными клапанами, которые находятся в более напряженных нагрузочных и тепловых условиях, чем впускные клапаны.
Флуктуация состояний одноименных элементов является объективной реальностью, вытекающей из второго начала термодинамики: в одноименных звеньях динамической системы ДВС невозможно задать исходные условия, которые привели бы к одинаковому результату в будущем [130]. Неравномерность значений износа одноименных кулачков МГР объясняется, прежде всего, технологическими и эксплуатационными причинами:
- неоднородностью исходного материала и неодинаковыми твердостью рабочих поверхностей кулачков и их контактными нагрузками из-за различий жесткости клапанных пружин;
- отклонениями от номинальных размеров профилей кулачков (в пределах поля допуска при изготовлении) и значений тепловых зазоров,
- неравномерностью рабочих процессов по цилиндрам ДВС.
Для поддержания мощностных и экономических показателей ДВС в процессе эксплуатации необходимо главное внимание уделять техническому состоянию систем питания, зажигания и МГР, на долю которых приходится 70% отказов и неисправностей по двигателю (табл. 1.1, [23, 52, 57]). Важность этого положения обусловлена и тем, что снижение мощности двигателя связано не только с ухудшением топливной экономичности, но и с форсированным его износом поскольку нарушение эксплуатационных регулировок указанных систем и механизмов вызывает возрастание динамических и температурных показателей рабочего цикла. Например, при эксплуатации двигателя из-за дестабилизации рабочих процессов в цилиндрах, вызванной разрегулировкой параметров систем питания, зажигания и МГР, неравномерность значений индикаторного давления по отдельным цилиндрам может достигать 20% и более, что еще в большей степени увеличивает неравномерность изнашивания одноименных сопряжений [21, 30, 53].
Обоснование способа диагностирования общего технического состояния МГР
Для выделения составляющих момента механических потерь ММГР от действия сил трения в одноименных звеньях МГР из суммарного момента механических потерь ( Мс) ДВС необходимо создать такие режимные условия испытания (диагностирования), при которых доля этих составляющих значительно возрастает. В предлагаемом способе, защищенным патентом РФ №2386941 [91] это достигается декомпрессированием двигателя (демонтажем свечей зажигания или форсунок), поскольку в режиме прокручивания двигателя стартером или частичном выбеге наибольщее влияние на изменение момента механических потерь (сопротивления) ДВС, а, следовательно, и угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота оказывает момент от действия компрессионных сил в цилиндрах.
Прокручивание коленчатого вала стартером декомпрессированного двигателя на пусковой частоте вращения {ш = 14...20 рад/с) позволяет не только устранить действие компрессионной составляющей в цилиндрах, работающих в тактах сжатия и расширения, но и исключить незначительные по величине насосные потери во впускном и выпускном коллекторах. Поверочные сравнительные расчеты проходных сечений открываемых клапанов и свечных отверстий применительно для двигателя 44 9,2/9,2 (рис.2.2) выполнены с учетом незначительного влияния газовых потоков топливовоздушной среды на указанные составляющие механических потерь ДВС в угловых интервалах, соответствующих фазам перекрытия клапанов. Фазы перекрытия клапанов не превышают в НМТ 120, а в ВМТ - 30 по углу поворота коленчатого вала (рис. 2.1).
Из-за малой площади проходных сечений клапанов за время перекрытия и близких к нулю скоростей движения поршня в зонах ВМТ и НМТ, в расчетах объемов топливовоздушной среды, проходящих через проходные каналы клапанов и свечных отверстий, можно ограничиться только сравнением их средних сечений и скоростей движения газовых потоков vn, значения которых определяются по формуле [48, 49, 54, 65]: (2.1) v l-a-R/n-FJF где со - текущая угловая скорость коленчатого вала, рад/с; R = 0,042 - радиус кривошипа ДВС 44 9,2/9,2, м; Fn = 66,44 - площадь поршня ДВС 44 9,2/9,2, см2; Fw. cP. средняя площадь проходного сечения отверстия, см2. Во время осуществления мнимого рабочего хода при прокрутке в одном из цилиндров, например в первом, открыт впускной клапан 4 цилиндра (средняя площадь проходного сечения которого 570 мм ) и выпускной клапан 3-го цилиндра (Scepbin яз 470 мм ), а свечные отверстия (Sce 170 мм ) всех цилиндров при декомпрессии открыты постоянно, то есть их общая площадь S 4 =4-170 680 мм2. Расчеты свидетельствуют (табл. 2.2), что с учетом невысокой средней угловой скорости вращения (й7 = 14...20 рад/с) коленчатого вала гидравлические сопротивления, пропорциональные квадрату скорости воздушного потока, соответственно через проходные отверстия клапанов и свечных отверстий, сопоставимы между собой.
Таким образом, при прокручивании декомпрессированного двигателя переменный по углу поворота коленчатого вала ср момент механических потерь МС(р определяется составляющими (рис. 2.3)
Отсутствие в зависимости (2.2) суммарного момента МС(р механических потерь две (при декомпрессированных цилиндрах) составляющих момента от действия компрессионных сил и насосных потерь значительно увеличивает относительную долю составляющей момента ММГР на привод МГР и, следовательно, уменьшает погрешность её определения в сравнении с известными способами. Значение составляющей Ммгр характеризует степень совершенства конструкции МГР, её знание необходимо при доводочных испытаниях новых моделей ДВС. В процессе эксплуатации ДВС по изменению значения Ммгр судят об общем техническом состоянии элементов МГР.
Определение составляющей ММГР на привод МГР осуществляется в следующей последовательности. Сначала на декомпрессированном ДВС в режиме постоянной частоты прокручивания коленчатого вала, например, стартером, измеряют среднее значение момента механических потерь М С(р с работой привода МГР, а затем - с отключенным приводом Мг , тогда
С учетом возможного изменения скоростного режима прокручивания коленчатого вала стартером более удобной единицей измерения считается мощность, тогда где ш - среднее значение угловой скорости прокручивания коленчатого вала.
Отключение привода МГР на двигателе осуществляется снятием ремня (цепи) при их наличии; при других типах приводов - установкой значений «тепловых» зазоров между клапанами и коромыслами (толкателями), превышающих величину хода подъема клапана (для четырехцилиндровых двигателей ЗМЗ ход подъема клапана равен 9,5 мм). Сравнивая полученное значение составляющей ММГР (NМГР ) на привод МГР с номинальным и предельно-допустимым, делают заключение об общем техническом состоянии механизма газораспределения. При отрицательном заключении необходимо конкретизировать причину неисправности, то есть выполнить поэлементное диагностирование МГР.
Зависимость износа элементов МГР в процессе эксплуатации
Определяющими ресурс и эффективность работы МГР исследуемых двигателей (ВАЗ, ЗМЗ, КамАЗ) являются сопряжения: кулачок распределительного вала - рычаг привода клапана; тарелка клапана - седло головки блока; стержень клапана - направляющая втулка. Результаты экспериментальных исследований показали, что идентичные по конструкции одноименные детали МГР в одном двигателе характеризуются значительным рассеиванием величин их износа. Наиболее интенсивно изнашиваемый элемент МГР - кулачок распределительного вала - имеет значение коэффициента вариации износа на распределительном валу двигателя 0,5.. .0,7 и более [38].
Обследованные партии распределительных валов (не менее 30 единиц в каждой), снятых с двигателей, имеющих пробег свыше 80 тыс. км, с учетом данных других исследователей [3, 6, 30, 46, 73, 128] показали, что только 1/6 из них отвечает техническим требованиям. Основная причина выбраковки -повышенный износ профиля одного-двух кулачков (для большинства двигателей автомобилей допустимый износ профиля кулачка по высоте не превышает 0,5...0,6 мм [6, 7, 18, 45, 69, 73]). Для всех типов двигателей характерен относительно больший износ кулачков, работающих с выпускными клапанами, которые находятся в более напряженных нагрузочных и тепловых условиях, чем впускные клапаны. Например, из проверенных 73 распределительных валов четырехцилиндровых двигателей 44 9,2/9,2 (ЗМЗ) 59% имели максимальный износ у кулачков выпускных клапанов, 23% -впускных клапанов и только 18% распределительных валов имели примерно одинаковый износ всех кулачков. Наиболее часто (22%) максимальный износ имели кулачки выпускных клапанов 4-го цилиндра. Для двигателей 44 7,6/8,0 (ВАЗ) сравнительный анализ износа по высоте кулачков выпускных клапанов и впускных клапанов распределительного вала показан на рис. 4.1.
По результатам обработки данных микрометрирования износа кулачков распределительного вала 23-х двигателей 44 9,2/9,2 [30, 37, 92], 32 двигателей 44 7,6/8,0 (ВАЗ-2103) и 30 двигателей 44 8,2/7,1 (ВАЗ-21083), эксплуатирующихся в городе Саратове и области, установлена экспоненциальная зависимость износа профиля кулачков распределительного вала (по высоте) от пробегав
где S - текущее значение износа профиля кулачка;
So - значение износа кулачка после этапа приработки (5... 10 тыс. км);
Ъ - коэффициент интенсификации изнащивания.
Зависимость (4.1) характерна и для других динамически нагруженных деталей МГР, что подтверждается результатами собственных экспериментальных исследований и данными, позаимствованными из работ [5, 6, 14, 76].
Для кулачков распределительных валов двигателей 44 7,6/8,0 и 44 8,2/7,1 графики зависимостей их износа от пробега представлены на рис. 4.2, 4.3, параметры которых соответствуют:
для кулачков выпускных клапанов двигателей 44 7,6/8,0
S = 0,131e 186L, (Я2 = 0,97);
для кулачков впускных клапанов двигателей 44 7,6/8,0
S = 0,127e 1513L, (Я2 = 0,98);
для кулачков выпускных клапанов двигателей 44 8,2/7,1
S = 0,039e 389\ (Я2 = 0,98);
для кулачков впускных клапанов двигателей 44 8,2/7,1
S = 0,034ea332\ (Я2 = 0,99).
Значения показателя достоверности (коэффициента детерминации R2), близкие к единице, свидетельствует о высокой тесноте связи экспериментальных данных и аналитически обоснованной зависимостью (1.1).
Указанная зависимость хорошо согласуется с физическими процессами изнашивания данного сопряжения МГР. На первом, после этапа приработки, достаточно продолжительном периоде эксплуатации (до 80 тыс. км и более) интенсивность изнашивания кулачков увеличивается, при этом износ кулачков впускных клапанов возрастает по более пологой кривой, чем выпускных.
Достаточно длительный период прогрессирующего роста интенсивности изнашивания данного сопряжения в процессе эксплуатации, характерный для динамически нагруженных сопряжений, подтверждается анализом эксплуатационных данных двигателей 44 9,2/9,2 и 84 10/9,5 (см. рис. 1.2).
Отмечено, что в этот период увеличивается и неравномерность изнашивания как между одноимёнными кулачками на распределительном валу из-за повышенного износа некоторых из них, так и между их совокупностью в группах выпускных и впускных кулачков. Неравномерность значений износа одноименных кулачков объясняются, прежде всего, технологическими и эксплуатационными причинами [38, 92]; неодинаковыми твердостью рабочих поверхностей кулачков и их контактными нагрузками из-за различий жесткости клапанных пружин; отклонениями от номинальных размеров профилей кулачков (в пределах поля допуска при изготовлении) и значений тепловых зазоров; неравномерностью рабочих процессов по цилиндрам ДВС. В общем случае неравномерность изнашивания одноименных сопряжений МГР характеризуется максимальной разностью значений их износов SH = Smax -Smin [ЗО]. Как видно из рис. 4.4 изменение неравномерности изнашивания -приращение разности величин износа между выпускными и впускными (соответственно максимально и минимально изношенными) кулачками, произошедшее через определенный пробег (/2 - /;)
На втором этапе эксплуатации (после 80 тыс. км) рост интенсивности изнашивания кулачков по пробегу имеет тенденцию к некоторому замедлению. Действительно, при значениях износа профиля кулачка по высоте, близких к предельному, интенсивность изнашивания сопряжений «кулачок - рычаг привода клапана» замедляется (рис. 4.5) вследствие увеличения радиуса закруглений кулачка, уменьшения его высоты и силы воздействия клапанной пружины. Эти факторы увеличивают площадь взаимодействующих поверхностей сопряжений и снижают давление в зоне их контакта из-за снижения динамических нагрузок у более изношенных кулачков, что вызывает стабилизацию, а затем и уменьшение неравномерности изнашивания (рис. 4.4).
В соответствии с зависимостью (4.1) установлена рекомендуемая периодичность диагностирования МГР (проверки тепловых зазоров) двигателей ЗМЗ и ВАЗ, равная 25 тыс. км при пробеге автомобилей до 90 тыс. км и 15 тыс. км - при пробегах свыше 90 тыс. км [38].
Полученные авторами результаты экспериментальных данных износа элементов МГР в процессе эксплуатации и анализ работ [5, 6, 14, 20, 58, 66, 73, 95, 114, 116], позволили сделать следующие выводы:
- эффективность работы и техническое состояние МГР в основном определяется значениями износа кулачковых пар и фаз газораспределения;
- значения износа кулачков распределительного вала, как правило, имеют значительную неравномерность, коэффициент вариации их износа достигает 0,7 и более; в процессе эксплуатации из-за износа элементов МГР и снижения жесткости клапанных пружин вследствие уменьшения динамических нагрузок у первоначально более изношенных кулачков, происходит снижение значения неравномерности износа кулачков между собой;
- износ кулачков распределительного вала и других элементов МГР в процессе эксплуатации увеличивается по экспоненциальной зависимости (4.1), соответственно периодичность проверки технического состояния МГР с увеличением пробега автомобиля должна корректироваться в сторону уменьшения.
Экономическая эффективность результатов исследования
Модернизированная технология поэлементного диагностирования МГР ДВС динамическими методами с помощью УДД позволяет оптимизировать рабочие процессы в цилиндрах ДВС по фактическому техническому состоянию. Индивидуальное корректирование значений регулировочных параметров систем питания и зажигания (операции 7, 8, 10, рис. 5.1) улучшает технико-экономические показатели ДВС, выраженные в снижении расхода топлива, содержании вредных выбросов СО, CnHm, NOx в отработавших газах, увеличении эффективной мощности и ресурса ДВС [8, 24, 27, 34, 101].
Для среднестатистического автомобильного парка, имеющего подвижной состав с пробегом автомобилей (0,5...0,75)LKp, эквивалентному 90...120 тыс. км для III категории условий эксплуатации [70, 109], экономия топлива за счет своевременной регулировки МГР составит не менее 0,5%. При расходе топлива 20 литров на 100 км пробега, реальная экономия топлива составит около 0,1 л. При годовом пробеге 60 тыс. км годовая экономия топлива одним автомобилем Q = 0,1x600 = 60 л, а экономический эффект составит Эт - Ц Q = 24,5 X 60 = 1470 руб., где Ц - стоимость одного литра топлива Аи-92.
Расчет экономического эффекта от снижения концентрации оксида углерода СО, углеводородов CnHm и окислы азота NOx в отработавших газах выполнен в предположении, что при оптимальных регулировочных параметрах систем питания, зажигания и МГР ДВС, достигаемых при принятой технологии диагностировании (п. 5.1), снижение содержания СО в отработавших газах составляет около 10% [27, 28, 30]. В абсолютных величинах это снижение соответствует 0,1...0,2% (от допустимого нормативного содержания СО в отработавших газах, равного 1,5...2% при работе двигателя в режиме холостого хода). Для серийного легкового автомобиля с объёмом двигателя свыше 2 л ориентировочные выбросы по массе составляют отдельно по СО - 112 г и суммарно по CnHm + NOx - 42 г на литр расхода топлива [8, 101]. Снижение массы выбросов по СО составит около 5 кг, а по CnHm + NOx - 2 кг в год на один автомобиль.
Для средненаселенных регионов (Саратовская область) удельный ущерб от выбросов в атмосферу оксида углерода принимается равным Б 0= 0,05 руб./кг; от негативного суммарного воздействия углеводородов CnHm и окислов азота NOx ущерб оценивается RCnHm,NOx = 4,15 руб./кг [8]. Следовательно, годовой экономический эффект от снижения загрязнения атмосферы вредными химическими компонентами, содержащимися в отработавших газах, за счет поддержания технического состояния МГР на оптимальном уровне составит около 7 рублей.
Похожие диссертации на Диагностирование механизма газораспределения ДВС по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала
