Программно-аппаратный комплекс оценки остаточного ресурса двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.113

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., Е.А. Серикова, ассистент, ХНАДУ

Аннотация. Приводится выбор диагностических параметров для оценки остаточного ресурса ДВС и его обоснование, а также предлагаются принципы организации программно-аппаратного комплекса, осуществляющего оценку остаточного ресурса ДВС.

Ключевые слова: остаточный ресурс, диагностика, двигатель, ЦПГ, КШМ.

Введение

Для повышения экономичности и экологической безопасности транспортных средств большое значение имеет эффективная организация их эксплуатации и технического обслуживания. В этой связи существует необходимость в разработке инструментальных средств и методов оценки остаточного ресурса автомобиля в целом и, в первую очередь, двигателя внутреннего сгорания. Такие методы должны минимизировать субъективные факторы в экспертной оценке ресурса.

Расчеты показывают, что применение автотранспортными предприятиями инструментального прогнозирования остаточного ресурса ДВС способно на 18 - 22% снизить стоимость транспортной работы автомобиля [1].

Анализ публикаций

До настоящего времени расчет величины остаточного ресурса осуществляется по возрасту и пробегу автомобиля. Однако результаты этих расчетов зачастую не соответствуют его действительному состоянию. В работах [2, 5, 6] указывается, что при расчете величины остаточного ресурса необходимо учитывать техническое состояние узлов и агрегатов, среднюю скорость движения автомобиля, средний расход топлива, полную массу и конструктивные особенности автомобиля, а также условия его эксплуатации.

Как указывается в работах [1, 2, 3], главным объектом диагностики, состояние которого и определяет ресурс автомобиля в целом, является двигатель, его цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

Реализация на практике методов, позволяющих учесть все значимые факторы, влияющие на остаточный ресурс, сдерживается отсутствием технических средств, способных по нескольким легкодоступным для измерения параметрам определить величину изношенности основных сопряжений. Появление таких программно-аппаратных средств позволило бы с высокой точностью осуществлять экспресс-диагностику состояния двигателя и оценку его остаточного ресурса без привлечения квалифицированного персонала.

По некоторым оценкам, в настоящее время трудоемкость диагностирования достигла 40% общей трудоемкости технического обслуживания [4], что является стимулом для разработки простых в реализации и дешевых диагностических средств.

Цель и постановка задачи

Для научно обоснованного планирования ремонта, регламентных работ и обеспечения эффективной эксплуатации автотранспортных средств существует потребность в создании автономного программно-аппаратного комплекса оценки остаточного ресурса ДВС

(ПАК ООР). Данный комплекс должен решать ряд задач:

- определение текущего технического состояния двигателя и основных его сопряжений;

- учет ожидаемых условий эксплуатации автомобиля;

- учет конструктивных особенностей двигателя;

- идентификация математических моделей, описывающих влияние перечисленных факторов на величину остаточного ресурса ДВС.

Для эффективного решения перечисленных задач техническая реализация ПАК ООР должна опираться на высокий современный

уровень развития электроники, микропроцессорной техники и новые методы анализа данных.

Данная статья посвящена анализу предпосылок и поиску подходов к реализации данного комплекса.

Основные методы диагностики ДВС

В настоящее время существует достаточно большое количество методов оценки технического состояния ЦПГ и КШМ (рис. 1), которые при постановке диагноза опираются на различные диагностические параметры.

Рис. 1. Классификация методов диагностики ЦПГ И КШМ

Однако сложность получения результатов измерений и невысокая информативность делает большинство этих параметров непригодными для использования в работе разрабатываемого комплекса.

Так, например, динамика изменений давления и пропуска газов в картер двигателя имеет нелинейную зависимость, что создает трудности при прогнозировании остаточного ресурса двигателя. Метод вакуумной диагностики трудоемок и имеет большую погрешность - до 30% [2, с. 40]. К недостаткам диагностики по параметрам картерного масла следует отнести трудоемкость и сложность раздельной оценки состояния трущихся сопряжений одинакового химического состава. Использование виброакустического, ультразвукового методов и диагностики по амплитудам пульсаций давления отработавших газов в картере характеризуется трудностями, связанными с исключением сигналов помех при работе двигателя и сложностью измерительной аппаратуры. Особую сложность представляет установление функциональной связи между диагностическим параметром и величиной остаточного ресурса.

Основными критериями при выборе диагностических параметров являются высокая информативность, простота и небольшие издержки в измерении, возможность их быстрой обработки программно-аппаратными средствами. Нужно отметить, что для таких сложных систем, как двигатель, в которых невозможно заменить изношенную деталь без полной или частичной разборки, дополнительно увеличивающей износ, целесообразно применять методы безразборной диагностики, позволяющие оценить общее состояние и остаточный ресурс двигателя. В дальнейшем, по результатам такой экспресс-диагностики может быть принято решение о применении более точных методов диагностики двигателя с целью выявления конкретных причин ухудшения диагностических параметров и его дальнейшей эксплуатации.

Обоснование метода оценки остаточного ресурса ДВС

При условии исправности газораспределительного механизма о степени износа ЦПГ можно судить по параметрам герметичности цилиндров, одним из которых является утечка сжимаемого воздуха из надпоршневого

пространства. Этот параметр обладает высоким коэффициентом информативности (0,936) и может быть оценен, в свою очередь, по характеру изменения легкодоступных для измерения величин: тока стартера, напряжения аккумуляторной батареи, частоты вращения коленчатого вала, температуры масла.

В [2, с. 118] приведено уравнение зависимости между износом цилиндров 5сро и утечкой воздуха &п

^сроп = 10"У9 + 21--Э„ -0,03, п = 1"4,

где 8сро п - измеренное значение износа п -го

цилиндра двигателя, мм. В свою очередь, утечка воздуха

^ РуУЫТ 0 РуУЫТ п л г,г,п/ 1 7

уп =-------------------100%, п = 1,4,

РуУЫТ 0

где руУМТ 0 - давление воздуха в конце сжатия при отсутствии утечек в цилиндре

Р = Р ^УМТ + 2 ■ ^кя ■ $р

РуУМТ 0 = р0 ■ V 5

'умт

где УуМТ - рабочий объем цилиндра; р0 -атмосферное давление; 8р - площадь поршня; Яь - радиус кривошипа; руШТ п - давление воздуха в конце сжатия с учетом утечек.

Для определения величины руУМТп рассмотрим уравнение динамического равновесия системы стартер - ДВС при выключенном сцеплении, отключенной системе зажигания и работающем стартере

=крМ• -М‘,Т,

где ’ку - момент инерции вращающихся масс, приведенный к оси вращения коленчатого вала; - скорость вращения коленча-

того вала; кр - передаточное отношение трансмиссии от стартера к коленчатому валу; МуьГ - момент вращения на валу стартера;

МкОрг - момент сопротивления ДВС, приведенный к оси вращения коленчатого вала

иг = и, + ,

где Мг - момент преодоления сил механического трения в двигателе, величина которого существенно зависит от температуры масла Тм; М• - момент, обусловленный сопротивлением сжимаемого воздуха в над-поршневом пространстве с учетом его утечки через неплотности.

Момент вращения стартера может быть определен из условия равенства электрической мощности, подводимой к стартеру, и механической мощности, которая расходуется на вращение коленчатого вала с учетом КПД стартера и трансмиссии

I* ■ч* = МV-ю* ■ кр,

где I^ - ток стартера; и аЪ - напряжение аккумуляторной батареи; - коэффициент

полезного действия стартера и трансмиссии стартера.

Отсюда выразим значение момента вращения на валу стартера

МУГ =1 st'U аь ' nst

®kv • kp

Подставив его в уравнение динамического равновесия, получим

м = ¡st • Uab - П.у, _ J d®kv

kv

_ Mtr.

kv

Данное уравнение определяет зависимость величины сопротивления сжимаемого воздуха в надпоршневом пространстве (и, следовательно, величины износа сопряжений ЦПГ) от величины тока стартера, скорости вращения коленчатого вала и напряжения аккумуляторной батареи.

Момент, обусловленный сопротивлением сжимаемого воздуха, однозначно определяется угловым положением коленчатого вала и давлением в каждом цилиндре. Действительно, сила давления воздуха на поршень п -го цилиндра [7, с. 163]

Р„п = (Руп - Р0) ■ ^ ,

где руп - давление воздуха (газов) в п -ом

цилиндре в любой момент времени. Теперь, зная угловое положение коленчатого вала, легко определить руУМТ п .

Момент сопротивления Мяу определяется тангенциальными составляющими Ру^п силы Гуп [7, с. 171, с. 169]. Для четырехцилиндрового двигателя получим

4

Мяу = X ^тгяп ■ ;

F = F •

svtgn svn

sin(9kv + АФ^ -(n -1) + Pst„) COS Pstn

где 9kv - угол поворота коленчатого вала; dФ^/dt = ш kv; Афь - изменение фь между ВМТ смежных цилиндров. Для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя Аф^ = 180° ; n - номер цилиндра; Pstn - угол

отклонения оси шатуна от оси n -го цилиндра [7, с. 155]

COSPstn = 1 _ 2 2 • Sin2 (фkv +AФkv '(n _ 1)_k

1 •Я4 • sin4(фь + АФЬ '(n_1))_k

Приведенные математические выкладки представляют собой теоретическую базу для осуществления косвенных измерений степени износа ЦПГ. Однако организация вычислений руп, согласно приведенным зависимостям, представляет собой достаточно сложную задачу. Величина давления воздуха в цилиндрах, как следует из вышеизложенного, есть функция величин

4

XРуп = /СРО (Фку, Фку, Фку, Ist, иаЪ, ТМ ) . п=1

Аппроксимация зависимости /сРО может

быть осуществлена на основании экспериментальных исследований.

В работе [2, с. 124] получено уравнение для зазора в коренных подшипниках коленчатого

выраженного в мм, с учетом из-

менения вязкости масла при изменении температуры в процессе работы двигателя

n=1

5 кш = (0,14 + 0,0025 • V) • (Рмтх^ -1) х

Pмizm :

х (1,31 -3,82• 10-3 • Тм)

где Рмп

рмь.

соответственно предель-

ное и измеренное значения давления масла в системе смазки при максимальной скорости вращения коленчатого вала, кПа; Ук - объем цилиндров двигателя; Тм - температура масла.

Таким образом, оценка степени износа коленчатого вала ДВС может осуществляться по результатам измерения давления и температуры масла в системе смазки при максимальной скорости вращения коленчатого вала, которая соответствует максимальной производительности масляного насоса.

Приведенные выражения позволяют судить о структуре математической модели процесса косвенного измерения зазора в коренных подшипниках. Для учета конструктивных особенностей конкретного ДВС необходимо провести ее параметрическую идентификацию на основе результатов экспериментальных исследований.

Исследования показывают, что зависимость между степенью изношенности конкретного сопряжения силового агрегата и остаточным ресурсом соответствующего агрегата близка к линейной. В этом случае, при полной массе и средней технической скорости автомобиля, соответствующих максимальному ресурсу, остаточный ресурс сопряжения (в км) составит

^08Т =

5„

^ 5-5тт ^

о о

V тах тт J

- степень изношенности

где 5, 5т

конкретного сопряжения, а также ее минимально и максимально возможные значения (мм); Ьр - ожидаемый пробег агрегата с начала его эксплуатации до полного износа при оптимальных условиях эксплуатации (км).

На скорость изнашивания сопряжений силовых агрегатов существенное влияние оказывают эксплуатационные факторы, к основным из которых относятся полная масса автомобиля, средняя техническая скорость

движения и средний расход топлива на единицу пройденного пути.

Для учета реальных условий эксплуатации в последнее выражение необходимо ввести корректирующие коэффициенты км, ку и кТ, учитывающие соответственно отклонения полной массы автомобиля, средней технической скорости движения и среднего расхода топлива на единицу пройденного пути от оптимальных

1 -

5-5ш

Л

5 -5 ■ .

шах шт J

' ^р • км • ку • ка .

Значения корректирующих коэффициентов для разных типов ДВС и применительно к различным эксплуатационным условиям должны уточняться по результатам экспериментальных исследований.

В качестве оценки остаточного ресурса ДВС в целом будем применять минимальный полученный остаточный ресурс основных сопряжений

где Ь08Т и Ь03Т - остаточные ресурсы ЦПГ и КШМ соответственно.

Учитывая сложность зависимости остаточного ресурса ДВС от измеряемых параметров, получить ее аналитически не представляется возможным. Для идентификации требуемой зависимости необходимо получить массив экспериментальных данных по двигателям с известной степенью изношенности. Решение этой задачи может быть выполнено с помощью ПАК ООР, структурная схема которого приведена на рис. 2. Предложенный программно-аппаратный комплекс должен обеспечивать не только оценку остаточного ресурса на основе учета всех значимых технических, конструктивных и эксплуатационных факторов, но и адаптацию к изменениям режима эксплуатации, технологий изготовления и ремонта ДВС.

Сложность формального описания зависимости остаточного ресурса ДВС от контролируемых параметров и условий эксплуатации определяет целесообразность применения в

Датчик и аЬ напряжения

Датчик тока стартера

Датчик частоты вращения КВ

Датчик углового положения КВ

Датчик

температуры

масла

Датчик

давления

масла

а.

Рк*

'р О

Тм

р

рно

р

ю

о

ерп

к

ол

м

I'

РкV

а

гр О '

Тм

&

о

к

кло

мэ

ГО 1 - Д/Г

а.

Конструктивные особенности

Эксплуатационные факторы

Величина износа ЦПГ

5с

Величина износа КШМ

и

кки

а

рс

су

ер

ог

о

це

о

к

ол

мэ

Величина

остаточного

ресурса

ДВС

и

08Т

р

роф

е

I

р бр £ о

м

Рис. 2. Структурная схема программно-аппаратного комплекса оценки ресурса ДВС

алгоритмах оценки остаточного ресурса методов нейро-нечеткой идентификации. Это позволит сформировать алгоритм идентификации требуемых зависимостей в терминах нечеткой логики в результате формализации экспертных заключений и, в дальнейшем, осуществлять его настройку на основе базы экспериментальных данных, формируемой и пополняемой в исследовательских и сервисных центрах.

Выводы

На основе анализа существующих методов диагностики состояния ДВС выбраны параметры идентификации технического состояния ДВС для оценки остаточного ресурса. Предложена структурная схема программноаппаратного комплекса для оценки ресурса ДВС.

Литература

1. http://iniector.h18.ru/ba3alt.htm

2. Бажинов А.В. Научные основы оценки ре-

сурса силовых агрегатов транспортных

машин с учетом условий эксплуатации / Дисс. ... д-ра техн. наук: 05.22.20. - Харьков, 2001. - 320 с.

3. Келер К.О. Диагностика автомобильного

двигателя. - Ужгород: Изд-во «Карпа-ти», 1977. - 160 с.

4. http://www.binaru.ru/

5. Говорущенко Н.Я. Основы управления ав-

томобильным транспортом. - Харьков: Вища школа, 1978. - 224 с.

6. Авдонькин Ф.Н. Изменение технического

состояния автомобиля в процессе эксплуатации. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1973. - 201 с.

7. Колчин А.И., Демидов В.П., Расчет авто-

мобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2002. - 496 с.

Рецензент: Ю.В. Батыгин, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 января 2009 г.