СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МОТОРНОГО МАСЛА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.87

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МОТОРНОГО МАСЛА М. А. Абдулхакзода1, С. Г. Исаев2, С. Е. Ларкин3, В. С. Чапаев4

1,2,3,4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия

1muslihiddinjon.2000@gmail.com 2sergeisaev@mail.ru 3larkinsergei@yandex.ru 4chapaev010@mail.ru

Аннотация. Рассматривается решение проблемы контроля качества моторного масла для определения оптимального момента его замены. Определено, что основным параметром, характеризующим качество моторного масла, является кинематическая вязкость. В результате сравнения методов определения вязкости для реализации выбран ультразвуковой. Разработана структурная схема системы контроля качества моторного масла, включающая канал измерения вязкости масла и канал измерения его температуры. Проанализированы погрешности измерения, и предложен алгоритм работы, позволяющий минимизировать их.

Ключевые слова: моторное масло, кинематическая вязкость, пьезоэлектрический элемент, аддитивная погрешность, мультипликативная погрешность

Для цитирования: Абдулхакзода М. А., Исаев С. Г., Ларкин С. Е., Чапаев В. С. Система контроля качества моторного масла // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 2. С. 58-63.

Смазочная система автомобильного двигателя за счет подачи масла к трущимся поверхностям обеспечивает:

- снижение их трения и повышение коэффициента полезного действия двигателя;

- уменьшение износа трущихся деталей;

- охлаждение рабочих узлов и вынос продуктов износа из мест их сопряжения;

- защиту деталей от коррозии при работе двигателя и во время длительной стоянки. В процессе эксплуатации транспортного средства состояние моторного масла,

определяемое его физико-химическими свойствами, изменяется (оно стареет). На этот процесс влияют различные факторы, такие как:

- частота холодных стартов;

- качество топлива;

- индивидуальные особенности управления автомобилем;

- загрязнения (сажа, образование нитратов и окислов);

- утечки топлива, охладителя и ряд др.

Периодичность замены моторного масла регламентируется фирмами - производителями автомобилей. Как правило, она составляет от 10 до 15 тыс. км пробега. Однако эти сроки основаны на среднестатистических данных. Реальные же условия эксплуатации могут быть как более щадящими, так и более жесткими с повышенным износом узлов двигателя.

Актуальность проблемы заключается в определении оптимального момента замены масла, с одной стороны, чтобы не менять его раньше, чем это действительно необхо-

© Абдулхакзода М. А., Исаев С. Г., Ларкин С. Е., Чапаев В. С., 2022

58

димо, с другой - не подвергать двигатель опасности из-за утраты маслом его основной функции - защиты агрегатов от повышенного износа деталей.

Физико-химические показатели отечественных моторных масел должны соответствовать ГОСТ 10541-20201. Основным параметром, характеризующим их качество, согласно этому стандарту является кинематическая вязкость. Единицей ее измерения являются сантистоксы (сСт = мм2/с). Поскольку кинематическая вязкость существенно зависит от температуры, причем зависимость эта, как показано на рис. 1, нелинейная, нормирование ее осуществляется при нескольких значениях температуры масла: +100 °С, о °С, -18 °С и -30 °С.

V, мм2/с

2000

200

20

2

-40 0 40 80 120 Л «с

Рис. 1. График зависимости кинематической вязкости моторного масла от температуры

Процесс старения масла сопровождается изменением его вязкости. Так, за счет окисления углеводородов, срабатывания присадок, накопления продуктов неполного сгорания топлива, продуктов износа деталей происходит ее увеличение. В ряде случаев может наблюдаться и снижение вязкости из-за попадания в масло охлаждающей жидкости и топливных фракций. В табл. 1 приведены данные об изменении вязкости некоторых марок моторных масел при увеличении пробега автомобиля [1].

Таблица 1

Изменение вязкости некоторых марок моторных масел

Марка масла Температура, °С Кинематическая вязкость, сСт

через 500 км 5000 км 10 000 км 15 000 км

BP Visco 5000 100 13,79 14,54 14,9 15,68

Castrol Magnatec 100 13,34 13,72 14,16 14,43

Shell Helix HX8 100 12,73 13,03 13,51 14,37

1 ГОСТ 10541-2020. Масла моторные универсальные и для автомобильных карбюраторных двигателей. Технические условия.

Полное исследование качества моторных масел возможно только в лабораторных условиях, однако многие зарубежные компании в последние годы активно разрабатывают датчики качества масла, входящие в состав электрооборудования автомобилей и способные решить проблемы как экономического, так и экологического (снижение уровня токсичных веществ в отработавших газах) характера [2].

Основными методами определения качества моторного масла являются диэлько-метрический и ультразвуковой.

Первый из них учитывает зависимость диэлектрической проницаемости масла от его вязкости [3]. Таким образом, по изменению емкости (или полного сопротивления) электрического конденсатора, между обкладками которого помещено моторное масло, можно судить об изменении его вязкости и тем самым о его текущем состоянии.

Второй метод учитывает, что глубина проникновения ультразвуковых волн в масло и уровень отраженного сигнала зависят от его вязкости. Поэтому по передаточной характеристике пьезоэлектрического резонатора после возбуждения колебаний в масле можно оценить его вязкость и тем самым его качество.

В результате сравнения предпочтение было отдано ультразвуковому методу, прежде всего из-за более простой конструкции датчика, который представляет собой пьезоэлектрический элемент.

При выборе частоты формируемых колебаний было учтено, что при ее увеличении глубина проникновения ультразвуковых волн в вещество уменьшается, а это может привести к снижению точности оценки качества масла. Поэтому предпочтительным является выбор резонансной частоты пьезоэлемента в диапазоне от 40 до 50 кГц.

В качестве критерия при принятии решения о возможности дальнейшего использовании масла или необходимости его замены выбрано изменение вязкости. Исходя из рекомендуемой производителями автомобилей периодичности смены масла в 10-15 тыс. км пробега и используя экспериментальные данные табл. 1, можно определить, что изменение вязкости при таком пробеге составляет от 10 до 15 %. Для обеспечения надежной работы двигателя целесообразно принять в качестве критерия изменение вязкости дQ = 10 %.

С учетом отмеченных особенностей была разработана структурная схема системы контроля качества моторного масла, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема системы контроля качества моторного масла

В состав схемы входят:

К - контроллер;

ПЭ - пьезоэлектрический элемент;

ФВЧ - фильтр верхних частот;

АВ - амплитудный выпрямитель;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ДТ - резистивный датчик температуры;

ПСН - преобразователь сопротивления в напряжение;

И - индикатор;

Кн - кнопка.

В составе системы имеются два измерительных канала: вязкости масла и его температуры.

Управление работой устройства осуществляется микроконтроллером, выполняющим следующие функции:

- формирование ультразвуковых импульсов с частотой, равной резонансной частоте пьезоэлектрического элемента;

- обеспечение процесса преобразования напряжения, поступающего с пьезоэле-мента через фильтр и выпрямитель в цифровой код, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

- обеспечение процесса преобразования сопротивления датчика температуры в цифровой код;

- обработку результатов измерений;

- формирование информационного сигнала на индикатор о пригодности масла для дальнейшего использования.

Пьезоэлектрический элемент обеспечивает формирование колебаний в исследуемой среде (масле) с заданной амплитудой и прием отраженного сигнала.

Фильтр верхних частот (ФВЧ) позволяет устранить влияние низкочастотных помех, возникающих при работе двигателя, на результат анализа качества масла.

На выходе амплитудного выпрямителя формируется постоянное напряжение, значение которого равно амплитуде (максимальному значению) напряжения, поступающего с пьезоэлемента.

Резистивный датчик температуры используется для определения текущей температуры масла. Сопротивление датчика преобразуется сначала в напряжение, а потом -в цифровой код.

Информация о качестве масла сообщается водителю с помощью светодиодного индикатора: зеленый цвет говорит о том, что масло пригодно для дальнейшего использования, а красный - о необходимости его замены.

На рис. 3 представлена функциональная модель основных погрешностей канала измерения вязкости моторного масла.

У 4

А В

Рис. 3. Функциональная модель основных погрешностей канала измерения вязкости

В составе модели учтены:

Цп - выходное напряжение пьезоэлемента;

Дф - аддитивная погрешность ФВЧ;

Бф - коэффициент передачи ФВЧ;

85Ф - мультипликативная погрешность ФВЧ;

Дав - аддитивная погрешность амплитудного выпрямителя;

Sab - коэффициент преобразования амплитудного выпрямителя;

SSab - мультипликативная погрешность амплитудного выпрямителя;

Да - аддитивная погрешность АЦП;

Дкв - погрешность квантования АЦП;

Sa - коэффициент преобразования АЦП;

8Sa - мультипликативная погрешность АЦП.

Для минимизации погрешностей системы контроля качества моторного масла предлагается следующий алгоритм ее работы.

После заливки свежего масла и включения зажигания водитель должен нажать кнопку «Эталон». По этому сигналу контроллер начинает осуществлять измерение температуры масла с помощью датчика температуры, преобразователя сопротивления в напряжение и АЦП.

Как только температура достигнет заданного значения (например 40 °С или 100 °С), по сигналу контроллера начинается измерительный процесс в канале вязкости при отсутствии возбуждения пьезоэлемента. В результате на выходе АЦП формируется код Мээ, определяемый суммарной аддитивной погрешностью канала измерения вязкости:

N03 = А ф (1 + 5£ф )SAB (1 + 5Sab )Sa (1 + 5Sa ) + + Aab Sab (1 + SSab S (1 + 5Sa ) + (Aa + A^ ) Sa (1 + 5Sa ).

После этого начинается цикл измерения вязкости свежего масла. Контроллер подает на пьезоэлемент импульсное напряжение с частотой, соответствующей его резонансной частоте, вследствие чего формируются колебания пьезоэлемента в масле с определенной амплитудой. При этом скорость затухания колебаний зависит от вязкости масла.

Через секунду после прекращения подачи напряжения от контроллера на обкладках пьезоэлемента сохранится переменное напряжение, амплитуда которого Ц7э, пропорциональная вязкости масла, выделяется амплитудным выпрямителем и преобразуется АЦП в код:

NM э = (U Э + Аф )Sф (1 + 5Sф )Sab (1 + 5Sab )Sa (1 + 5Sa ) + + Aab Sab (1 + ^b S (1 + 5Sa ) + (Aa + A^ ) Sa (1 + 5Sa ).

Контроллер вносит в результат поправку, определяемую аддитивной погрешностью, и заносит в память код, определяющий вязкость свежего масла:

N = NMэ - ^ = UэSф (1 + 5Sф )Sab (1 + 5SAB )SA (1 + 5SA ) = Q,

где k - коэффициент преобразования канала измерения вязкости; Qэ - вязкость свежего масла.

В дальнейшем во время каждой поездки после включения зажигания и нагрева масла до того же заданного значения температуры снова сначала осуществляется измерительный процесс в канале вязкости при отсутствии возбуждения пьезоэлемента и на выходе АЦП формируется код Not, а затем измеряется амплитуда напряжения Ut, пропорциональная текущей (на данный момент) вязкости масла Qt, и в контроллер заносится код Nmt. После введения поправки, определяемой аддитивной погрешностью, формируется код

NT = NMT - NOT = U^ (( + 5Sф ) (1 + 5SAB S (1 + 5SA ) = Q.

Затем контроллер вычисляет отношение кодов A, определяемое изменением вязкости масла в процессе его эксплуатации:

j N - N3 QT - Q3 N3 Q Э '

Таким образом, если мультипликативная погрешность в промежутках между измерениями не меняется (учитывая, что они производятся при одной и той же температуре), эта операция позволяет скомпенсировать ее и тем самым повысить точность определения изменения вязкости масла.

Пока значение A не выходит за пределы +10 %, индикатор будет гореть зеленым цветом, когда же его цвет сменится на красный, это будет сигналом-рекомендацией к замене масла.

Список литературы

1. Как часто менять масло? URL: https://velo-trest.ru

2. Новые тенденции и перспективные технологии автомобильных датчиков. URL: https:// kit-e .ru/ sensor/novye-tendenczii-i-perspektivnye-tehnologii-avtomobünyh-datchikov-sistem-powertrain-i-kontrolya-emissii

3. Фарзане Н. Г., Ильясов И. В., Ази-Заде А. Ю. Технологические измерения и приборы. М. : Высш. шк., 1989. 456 с.

Информация об авторах Абдулхакзода Муслихиддин Абдулфайз, студент, Пензенский государственный университет

Исаев Сергей Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет

Ларкин Сергей Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет

Чапаев Вячеслав Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.