СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТИВНОСТИ ИЗВЕСТНЫХ ПРИБОРНЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ НАДПОРШНЕВОГО ПРОСТРАНСТВА БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Введение

Автомобили с двигателем внутреннего сгорания играют важную роль в нашей современной жизни, обеспечивая нам мобильность и доступ к различным ресурсам и возможностям. Они является неотъемлемой частью нашей экономики, социальной инфраструктуры и повседневной деятельности. Благодаря транспорту мы можем свободно передвигаться, обеспечивать поставку товаров, поддерживать связь между различными регионами и обеспечивать доступ к образованию и медицинским услугам.

Актуальность темы

Надпоршневое пространство бензинового двигателя является одной из ключевых частей, влияющих на его работу и эффективность. Отказы, связанные с разгерметизацией надпоршневого пространства, являются основными причинами поставки двигателя на ремонт. Дефекты и неисправности в надпоршневом пространстве приводят к значительному снижению мощности двигателя, повышенному расходу топлива, а также ухудшению экологических показателей.

Постановка задачи

Существует множество приборных методов диагностики состояния надпоршневого пространства. Однако, каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения, и важно провести сравнительный анализ для определения наиболее эффективного и точного метода диагностики.

Такой анализ позволит определить, какие методы диагностики наиболее подходят для конкретных задач и условий эксплуатации бензиновых двигателей. Даст возможность определить их применимость и эффективность для оценки состояния надпоршневого пространства, что позволит станциям технического обслуживания и сервисным центрам принимать соответствующие меры по обслуживанию и ремонту двигателей, обеспечивая их более эффективную и долговечную работу.

Изложение основного материала

На сегодняшний день существует множество подходов для без разборного контроля технического состояния надпоршневого пространства. Все эти способы, в большей или меньшей степени, применяются в диагностике технического состояния надпоршневого пространства. Есть как обобщенные методы диагностики, дающие общую оценку технического состояния без точной локализации повреждений, так и методы детальной, поэлементной диагностики, которые выявляют участок и характер повреждений определенного соединения или детали. Рассмотрим наиболее популярные методы.

Определение компрессии. Оценка состояния надпоршневого пространства двигателя производится путем измерения давления в процессе сжатия, что называется компрессией. Существуют два метода измерения компрессии: прямой и косвенный. В первом случае фиксируется только максимальное давление поршня при вращении двигателя, а во втором делается запись диаграммы сжатия в координатах давления и угла поворота коленчатого вала [14]. Вместо давления можно также измерять момент сопротивления сжатию при вращении коленчатого вала специальным оборудованием.

Другие подходы включают сопоставление амплитуды пульсаций давления во впуске двигателя [7] и методы, основанные на измерении объема или давления воздуха в надпоршневом пространстве при закрытых клапанах [16, 17].

Исследования показали [5, 8], что при значительном износе цилиндропоршневой группы снижение компрессии всего лишь на 22-24% по сравнению с полностью исправной системой, при условии отсутствия других неисправностей, влияющих на пневмоплотность надпоршневого пространства. Это связано с тем, что сжатый воздух, попадая в поршневые канавки, улучшает плотность надпоршневого пространства за счет тесного прилегания поршневых колец к поверхностям канавок и гильзы цилиндров.

Так, дополнительное давление, действующее на второе поршневое кольцо, составляет 0,25 МПа, что почти в два раза превышает собственное радиальное давление кольца [10]. Это наблюдается в большинстве двигателей, независимо от количества колец. Из-за этого данному диагностическому параметру не целесообразно доверять для оценки состояния цилиндропоршневой группы. Еще одним недостатком этого метода является зависимость показаний компрессометра от частоты вращения коленчатого вала, которая, в свою очередь, зависит от состояния аккумуляторной батареи. Кроме того, невозможно провести диагностику при демонтаже, частичной разборке двигателя или при неисправном стартере.

Уровень компрессии в основном зависит от состояния таких элементов двигателя, как клапаны ГРМ, прокладка ГБЦ, а также от поломки или закоксованности компрессионных колец. Различные данные о предельном, номинальном и допустимом уровне компрессии также затрудняют использование данного метода. Поэтому этот метод рационально применять лишь для выявления аварийного износа и дефектов.

Определение относительной компрессии. Этот метод зависит от измерения тока, потребляемого стартером во время прокручивания двигателя без запуска. Чем больше сопротивление, которое должен преодолеть стартер, тем больше ток он потребляет [6, 12]. Поэтому при лучшей плотности надпоршневого пространства давление в цилиндре на стадии сжатия увеличивается, что приводит к увеличению потребляемого тока. Исследуя максимальные значения осциллограммы тока стартера, можно определить цилиндр с сниженной компрессией. Также существуют методики, где анализ проводится на основе напряжения бортовой сети. Несмотря на объективность, последний метод не получил широкого признания и распространения.

Недостатками данного метода диагностики являются:

Невозможность определения абсолютного значения компрессии.

Невозможность выявить ситуацию, когда все цилиндры имеют одинаково низкое давление компрессии. Однако стоит отметить, что такая ситуация, когда все цилиндры идентично неисправны, встречается крайне редко. Тем не менее, возможно косвенно определить это по пониженному потреблению тока стартером.

Значение стартерного тока также зависит от других факторов, включая состояние самого стартера, помимо герметичности надпоршневого пространства. Для частичной проверки этих условий приходится снимать свечи и анализировать полученные данные.

Низкое давление компрессии, даже абсолютное, не является определенной причиной неполадки и не указывает на необходимость капитального ремонта двигателя. Таким образом, обнаружение проблемного цилиндра служит лишь отправной точкой для более глубокой диагностики.

Виброакустические способы. Данный метод диагностики основан на колебательных явлениях, возникающих при взаимодействии поверхностей деталей во время работы автомобиля. Он позволяет оценить техническое состояние различных узлов и агрегатов в автомобиле [1, 2, 3, 8, 9, 13, 15]. При использовании этого метода основными параметрами для оценки являются частота и амплитуда виброакустического сигнала. При оценке состояния надпоршневого пространства этим методом анализируются зазоры между гильзой цилиндра и поршнем, а также торцевые зазоры в канавках поршня [1, 4, 8]. Для точного определения этих зазоров важен равномерный режим работы двигателя [9]. Для диагностики торцевых зазоров требуется специальное оборудование для прокручивания коленчатого вала [8]. Однако, даже с соблюдением всех условий метода, возникают неконтролируемые источники вибрации, которые создают помехи, ухудшая точность определения зазоров.

Каждый двигатель внутреннего сгорания от различных производителей имеет свои уникальные конструктивные особенности, что приводит к значительным различиям в показателях диагностических параметров даже для однотипных соединений [4]. Из-за этого сложно установить стандартные или максимальные значения этих параметров, что делает этот метод непригодным для точной оценки состояния двигателя и прогнозирования его остаточного ресурса. Кроме того, недостатками этого метода являются высокая стоимость оборудования, сложности в его обслуживании и необходимость наличия квалифицированного персонала.

Оптический способ. В данном случае состояние надпоршневого пространства оценивается визуально, путем осмотра через свечное отверстие с использованием технического эндоскопа. Эндоскоп - это устройство, предназначенное для внутреннего осмотра агрегатов, состоящее из камеры с подсветкой, закрепленной на конце гибкого стержня. Изображения с камеры передаются на дисплей эндоскопа или на внешний монитор. Эндоскоп полезен для инспекции труднодоступных областей в автомобиле, однако его наибольшее применение получилось в диагностике состояния ЦПГ и клапанов [11]. При помощи эндоскопа мы можем получить информацию, которую ранее можно было получить только после разборки двигателя. Однако проблема заключается в том, что отсутствует четкий параметр для оценки степени износа - лишь возможность визуальной оценки. Поэтому использование только эндоскопа не даст полного представления о состоянии надпоршневого пространства; этот метод лучше всего применять как дополнение к другим методам диагностики.

Определение относительной неплотности камеры сгорания. В последнее время для оценки технического состояния надпоршневого пространства двигателя все чаще применяют метод, основанный на обнаружении неисправностей через измерение утечки сжатого воздуха из надпоршневого пространства. Этот метод реализуется с помощью устройства, известного как пневмотестер. Пневмотестер прекрасно подходит для диагностики на автотранспортных предприятиях или СТО. Это устройство позволяет проверять состояние ЦПГ, герметичность клапанов, целостность прокладки ГБЦ и других элементов путем измерения утечки сжатого воздуха, который подается в надпоршневое пространство. Использование пневмотестера не требует значительной разборки двигателя, достаточно лишь снять свечи зажигания. Кроме того, этот метод позволяет осуществлять диагностику неработающего двигателя или даже снятого с автомобиля.

Работа пневмотестера основана на принципе, по которому полость, имеющая две камеры, между которыми устанавливается жиклер, используется для измерения утечки сжатого воздуха из надпоршневого пространства цилиндров двигателя. Манометр, расположенный перед жиклером, показывает подаваемое давление, а после жиклера - процент утечек. Жиклер подобран таким образом, что при определенном уровне давления, если входное отверстие полностью открыто, манометр показывает сто процентов утечек, а если полностью закрыто - ноль процентов.

Даже у полностью исправного двигателя из-за его конструктивных особенностей обычно есть небольшой процент утечки (зеленая зона на шкале манометра). Важно отметить разницу показаний пневмоплотности между цилиндрами, которая не должна превышать 15%. Уровень утечек сжатого воздуха из цилиндров двигателя, отображаемый позицией стрелки манометра в желтой зоне его шкалы, указывает на то, насколько состояние герметичности надпоршневого пространства цилиндров отличается от нормального состояния. Если пневмотестер показывает высокий уровень утечки сжатого воздуха из надпоршневого пространства двигателя, это свидетельствует о выходе из строя определенного элемента двигателя, требующего ремонтных работ. Пневмотестер позволяет идентифицировать этот неисправный элемент и определить, через какие конкретные детали двигателя происходит увеличенная утечка сжатого воздуха.

Основные преимущества данного метода заключаются в возможности локализации неисправности, оценке состояния конкретного цилиндра. Кроме того, данный метод относительно прост в использовании, не требует персонала высокой квалификации, и имеет низкую трудоемкость диагностики.

Выводы:

Любой из анализированных методов имеет своё место в диагностике надпоршневого пространства двигателя, однако, среди них пневмотестер является наиболее эффективным. Основным преимуществом пневмотестера является его способность локализовать неисправности, в отличие от других методов. Главными недостатками других методов диагностики являются их зависимость от внешних условий, влияющих на точность оценки, а также значительная сложность и высокие требования к квалификации персонала.

Пневматические методы диагностирования в современных условиях эксплуатации двигателей стали наиболее популярными. Они выполняются простым и относительно доступным оборудованием, позволяющим оценить техническое состояние надпоршневого пространства. Кроме того, одним из плюсов пневматических методов является их схожий принцип работы с процессами, происходящими во время работы двигателя.