Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и обоснование направления исследования
1.1 Актуальность вопросов повышения эффективности ТО и Р автомобилей, снижения эксплуатационного расхода топлива и токсичности отработавших газов . 8
1.2 Влияние характерных неисправностей дизелей
на их эксплуатационные показатели. 18
1.3 Роль диагностирования в повышении эффективности ТО и Р автомобилей, снижении эксплуатационного расхода топлива и токсичности отработавших газов 29
1.4 Сравнительный анализ разработок в. области диагностирования дизельных двдгателей 35
1.5 Цель и основные задачи исследования. 46
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки разработки метода диагностирования двигателей по неравномерности вращения коленчатого вала
2.1 Анализ взаимосвязи неравномерности вращения коленчатого вала с рабочим циклом двигателя 49
2.2 Методика исследования влияния характерных неисправностей дизелей на параметры рабочего цикла и неравномерность вращения коленчатого вала 59
2.3 Влияние характерных неисправностей дизелей на параметры рабочего цикла и неравномерность вращения коленчатого вала 70
2.4 Выбор комплекса диагностических параметров.. 83
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования
3.1 Общая методика экспериментальных исследова ний. 91
3.2 Разработка аппаратуры для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях 98
3.3 Проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях 107
3.4 Техническая реализация метода диагностирования двигателей по неравномерности вращения коленчатого вала 120
ГЛАВА 4. Анализ результатов экспериментальных исследований и рекомендации по внедрению разработанного метода диагностирования дизельных двигателей
4.1 Выбор комплекса диагностических параметров на основе анализа результатов экспериментальных исследований 132
4.2 Определение нормативных.значений.диагностических параметров 143
4.3 Разработка алгоритма постановки диагноза 152
4.4 Рекомендации по внедрению разработонного метода диагностирования дизельных двигателей и оценка экономической эффективности 159
Выводы и основные результаты исследования 173
Литература
- Актуальность вопросов повышения эффективности ТО и Р автомобилей, снижения эксплуатационного расхода топлива и токсичности отработавших газов
- Анализ взаимосвязи неравномерности вращения коленчатого вала с рабочим циклом двигателя
- Общая методика экспериментальных исследова ний.
- Выбор комплекса диагностических параметров на основе анализа результатов экспериментальных исследований
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I...I985 годы и на период до 1990 года перед автомобильным транспортом общего пользования поставлен целый ряд крупных задач народнохозяйственного значения. К этим задачам, в первую очередь, относится повышение грузооборота в 1,3...1,4 раза, пассажирооборота на 16... 18$, укрепление материально-технической базы и концентрация транспортных средств в крупных автомобильных хозяйствах, улучшение технического обслуживания (ТО) и ремонта (Р) и повышение надежности работы технических средств транспорта /I/.
Важнейшей проблемой технической эксплуатации подвижного состава является обеспечение высокой эффективности его использования. На долю автомобильного транспорта приходится значительная часть (более 60$) транспортных расходов народного хозяйства /95/.
Все более острый характер приобретают проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов и снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей. Автомобильный транспорт потребляет более 20$ нефтепродуктов, вырабатываемых в стране. Затраты на топливо по существующим в настоящее время ценам составляют около 30$ от общих расходов на осуществление автомобильных перевозок и поэтому в значительной мере лимитируют эффективность автомобиля в целом /74,95/.
Актуальность задачи рационального использования топливно-энергетических ресурсов связана так же с тем, что речь идет о невосполнимых природных богатствах.
Удельный вес автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы крупных городов мира за последние годы значительно возрос и составляет уже 40...60$, а содержание токсичных веществ не только
превышает предельно допустимые концентрации, безопасные для здоровья человека, но и продолжает неуклонно расти.
Загрязнение атмосферы токсичными веществами наносит огромный социально-экономический ущерб народному хозяйству. Поэтому борьба с загрязнением воздуха является одной из наиболее острых проблем современности /6,38,98,102/.
Одним из существенных направлений в системе мер по экономии тошшва и защите окружающей среды является дизелизация автомобильного транспорта, так как дизельный двигатель на 25...30$ экономичнее карбюраторного /93/ и выделяет в 10 раз меньше токсичных веществ. Однако,в отработавших газах (ОГ) дизельных двигателей содержится в 5 раз больше сажи, концентрация которой определяет величину дымности ОГ /98,102/.
При осуществлении мер по очистке атмосферного воздуха нельзя оставлять без внимания проблему борьбы с дымностыо. Сажа снижает видимость на дороге, угрожая тем самым безопасности движения. Кроме того, в ней содержится ряд сложных полициклических арамати-ческих углеводородов, наибольшую опасность среди которых (ввиду своей канцирогеннои активности и высокой стойкости во внешней среде) представляет бензпирен /48,98/.
Содержание бензпирена в ОГ дизелей возрастает с увеличением концентрации и дисперстности сажи. Поэтому работы, направленные на снижение дымности, будут способствовать снижению концентрации бензпирена в отработавших газах дизелей /48/.
Среди основных факторов, определяющих эффективность технической эксплуатации автомобилей, ведущее место принадлежит системе технического обслуживания и ремонта, её научной обоснованности и совершенству. Большое значение в развитии системы ТО и ремонта имеет техническая диагностика /65/.
Б настоящее время в АТЇІ широкое распространение получила диагностика автомобилей с карбюраторными двигателями. Промышленность нашей страны выпускает целый ряд комплексных и специализированных стендов, мотор-тестеров и приборов для диагностирования указанного подвижного состава.
Диагностика дизельных автомобилей пока еще значительно отстает от диагностики карбюраторных автомобилей. Это объясняется конструктивными особенностями дизельных автомобилей, затрудняющими использование разработанных методов и средств диагностирования. Так, существующие в стране диагностические приборы удовлетворяют потребность в инструментальном диагностировании автомобилей с карбюраторными двигателями на 30...40$, а с дизельными - на 15...20$.
Интенсивный процесс дизелизации автомобильного парка страны, а также существенная зависимость эффективности использования автомобилей от их технического состояния требуют быстрейшего решения вопросов диагностирования дизельных автомобилей и, в первую очередь, их двигателей, как одного из наименее надежных агрегатов.
Существующие методы диагностирования дизелей, в силу своей неуниверсальности, большой трудоемкости, сложности и дороговизны оборудования, не нашли широкого распространения в автотранспортных предприятиях (АТП).
Целью данной работы является повышение эффективности технического обслуживания дизельных двигателей путем разработки метода диагностирования дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала.
Научная новизна работы заключается в разработке метода диагностирования дизельных двигателей по неравномерности вращения коленчатого вала, позволяющего контролировать техническое состо-
яние двигателя в целом и локализовать характерные неисправности дизеля одновременно в рамках отдельного цилиндра и функциональной системы.
Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритма функционирования устройства диагностирования дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала,алгоритма постановки диагноза, а также рекомендаций возможных путей их реализации.Ценность для практики представляют и определенные в работе режимы диагностирования и нормативные значения диагностических параметров.
Результаты исследования использованы Казанским ШЛИ АСУ AT при разработке аппаратуры для диагностирования дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала.
На защиту выносятся:
метод диагностирования дизельных двигателей по неравномерности вращения коленчатого вала;
результаты теоретического и экспериментального исследова« ния влияния характерных неисправностей дизелей на параметры неравномерности вращения коленчатого вала;
методика определения нормативных значений диагностических параметров;
реализация метода диагностирования дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала.
Работа выполнялась на кафедре "Эксплуатация автомобильного транспорта" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института. Она является составной частью исследований, проводимых ОЛДА МАДИ согласно общего координационного плана ГКНТ Совета Министров СССР по решению научно-технической проблемы 054.04 темы 04.05 раздела Н4 "Разработать, процессы ТО и ремонта и технологии диагностирования и регулирования в условиях эксплуатации"
Актуальность вопросов повышения эффективности ТО и Р автомобилей, снижения эксплуатационного расхода топлива и токсичности отработавших газов
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I...I985 годы и на период до 1990 года задача всемерного повышения эффективности производства определена как принципиальная основа современного экономического развития, важнейшая хозяйственно-политическая задача нынешнего этапа коммунистического строительства /I/.
Это в полной мере относится и к автомобильному транспорту, роль которого в повышении экономического потенциала страны весьма значительна. Так, в 1980 году им перевезено более 80$ народнохозяйственных грузов и 90$ пассажиров /52/. Удельный вес автомобилей в перевозках городского транспорта уже в 1975 году составил 58$ /95/.
Вместе с тем велики и транспортные расходы. По данным ЦСУ и расчетам ЦНИИ МПС, на автомобильный транспорт приходится более 60$ транспортных расходов народного хозяйства. Только на осуществление грузовых автомобильных перевозок в 1973 т. было израсходовано более 30 млрд.рублей. При этом сокращение транспортных расходов только на 1% может дать экономию в народном хозяйстве до 700 тыс.рублей в год /95/.
В СССР ещё очень велики трудозатраты на автомобильные перевозки. Относительное количество трудящихся, занятых на грузовых автомобильных перевозках, в 1,5...2 раза больше, чем в других экономически развитых странах /22/. Затраты на содержание парка автомобильного транспорта составляют около 2 млрд.рублей в год /22,74/. В то же время во всех отраслях народного хозяйства нашей страны, в том числе и на автомобильном транспорте, с каждым годом растет нехватка рабочих. Учитывая прогнозы демографического развития, в перспективе недостаток рабочей силы в стране ещё более возрастёт /22,29,74/.
Техническая эксплуатация (ТЭ) автомобилей, являясь одной из подсистем автомобильного транспорта, играет большую роль в повышении эффективности функционирования транспортной системы. Это не только большие затраты на обеспечение работоспособности автомобильного парка, но и то, что ТЭ вместе с автомобильной промышленностью находится в самом начале транспортного конвеєра, обеспечивая его технически исправным подвижным составом нужных технико-эксплуатационных свойств. От совершенствования ТЭ в значительной мере зависит и повышение эффективности работы автомобильного транспорта в целом /52/.
Обобщение отечественного и зарубежного опыта свидетельствует, что важнейшими показателями эффективности ТЭ являются: уровень работоспособности парка; производительность труда персонала, занятого обеспечением работоспособности парка; затраты на ТО и Р; уровень отрицательных воздействий неисправных автомобилей на окружающую среду.
Из рис.1.1 видно, что показатели эффективности ТЭ соответствуют показателям эффективности автомобильного транспорта /52/.
Так, уровень работоспособности оказывает непосредственное влияние на прирост производительности транспортных средств. Затраты на поддержание работоспособности, топливо и защиту окружающей среды непосредственно сказываются на себестоимости перевозок, т.е.конечного продукта. Наконец,производительность труда персона- ла,обеспечивающего работоспособность подвижного состава, оказыва ет влияние на общую производительность всего персонала, участвующего в перевозках, занятого на транспорте. На схеме (рис.1.1) показан также уровень влияния этих показателей на соответствующие показатели эффективности автомобильного транспорта /52/. В свою очередь для ТЭ перечень показателей конкретизируется частными показателями эффективности подсистем ТЭ.
Необходимо отметить, что в зависимости от конкретной ситуации, действующих ограничений и требований систем более высокого уровня (социально-экономической, транспортной и автомобильного транспорта) на первое место может выступать одна из целей ТЭ. Например, демографическая ситуация, влияющая на нехватку ремонтного персонала, требует более интенсивного повышения производительности труда, что будет сопровождаться ростом необходимых капиталовложений в производственную базу и затрат на ТО и Р, подготовку персонала и т.д.
Известно, что около 12...15$ себестоимости перевозок приходится непосредственно на ТО и Р, а 35...45$ зависят от качества выполнения ТО и Р.
В настоящее время в среднем ежегодно на ТО и Р одного грузового автомобиля расходуется 900...1200 руб., в том числе 250...400 руб. - на запасные части /52/. При этом на каждые 2,6 автомобиля требуется один ремонтный рабочий.
Из выше сказанного не трудно видеть, что эффективность ТО и Р автомобилей существенным образом влияет на эффективность ТЭ и, следовательно, автомобильного транспорта. Поэтому актуальность задачи повышения эффективности ТО и Р автомобилей не вызывает сомнений.
Анализ взаимосвязи неравномерности вращения коленчатого вала с рабочим циклом двигателя
Чтобы разработать метод диагностирования какого-либо агрегата или механизма автомобиля необходимо: выявить закономерности изменения параметров технического состояния объекта диагностирования, выбрать диагностические параметры, определить характеристики их изменения и связи с параметрами состояния объекта, выбрать рациональные режимы диагностирования, установить нормативные значения диагностических параметров, определить алгоритмы диагностирования и постановки диагноза /63/.
Основой любого метода диагностирования является набор диагностических параметров-косвенных величин, связанных со структурными параметрами и несущих достаточную информацию о техническом состоянии объектов.
Для выбора диагностических параметров могут использоваться различные методы: анализ структурно-следственных моделей, граф-моделей, метод экспертных оценок, метод факторного анализа, метод малых отклонений, метод испытаний и т.д. /43,63,70/.
Выбор параметров по структурно-следственным и граф-моделям носит лишь качественный характер без количественной оценки параметров между собой. Метод экспертных оценок обладает большой неточностью. В данной работе для выбора диагностических параметров использовался анализ взаимосвязи неравномерности вращения коленчатого вала с рабочим циклом двигателя.
Мощность, экономичность, надежность работы и долговечность двигателя зависят от качества рабочего цикла. Наиболее объективным критерием для оценки рабочего цикла двигателя служит индикаторная диаграмма, по которой можно судить об основных показателях рабочего цикла: работе, к.п.д., индикаторной мощности, максимальном давлении и др.
Известно, что даже при установившемся режиме работы двигателя угловая скорость вращения коленчатого вала не остается постоянной, а периодически изменяется. Основной причиной такого изменения является неравномерность крутящего момента, обусловленная периодичностью рабочего процесса и кинематическими свойствами кривошипно-шатунного механизма.
В каждое мгновение суммарный крутящий момент двигателя М уравновешивается суммарным моментом сопротивления МС0Щ) и моментом сил инерции 70 всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала. Эта взаимосвязь выражается уравнением / 2 / Мкр = Мшр+:70аТ (2Л) где du)/dt - угловое ускорение коленчатого вала .
В дальнейшем момент сопротивления, включая механические потери, будем считать постоянным и равным среднему значению индикаторного крутящего момента, изменением приведенного момента инерции й0 пренебрежем, а коленчатый вал будем считать абсолютно жестким. Тогда колебания скорости коленчатого вала будут обусловлены только отклонением Мд- от среднего значения Мкр ср (рис.2.1). Нетрудно видеть, что при 1L Мсопр коленчатый вал имеет положительное угловое ускорение и угловая скорость его увеличивается. Если IL МС0Щ), то, наоборот, угловая скорость коленчатого вала уменьшается. При М = МС0Щ) уравнение (2.1) примет вид: Jo jp - и .
Индикаторный крутящий момент многоцилиндрового двигателя определяется суммированием крутящих моментов отдельных цилиндров при соответствующих углах поворота кривошипов в каждом из них:
Мкр = 1МгрдА , (2.5) где М ц - иадикаторннй крутящий момент одного цилиндра, определяемый следующим образом: = RT = RP- , (2.6) где Т - тангенциальная сила; Р - суммарная сила, действующая на поршень. Последняя определяется алгебраическим сложением сил давления газов рг и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс Pj : p = Pr+Pj =F„(Apr+Pj), (2.7) где F„ - площадь поршня; дрг - избыточное давление над поршнем; pj - удельная сила инерции возвратно-поступателно движущихся масс.
Общая методика экспериментальных исследова ний.
Согласно цели и задачам исследований общая методика предусматривала проведение эксперимента в два этапа.
Первый этап, проводимый в лабораторных условиях, включал в себя: - разработку измерительной аппаратуры и подготовку экспериментального оборудования; - математическое планирование эксперимента и его реализацию; - построение математической модели объекта диагностирования в виде системы регрессионных зависимостей; - выбор диагностических параметров и режимов диагностирования.
Второй этап экспериментальных исследований проводился для определения возможности применения данного метода в практике эксплуатации автомобилей и его массового внедрения.
Эти исследования проводились в производственных условиях и включали в себя: - техническую реализацию метода путем создания макетного образца устройства для диагностирования дизельных двигателей по неравномерности . _ .. вращения коленчатого вала; - сбор статистических данных для определения нормативных значений диагностических параметров; - уточнение комплекса диагностических параметров; - разработку алгоритма постановки диагноза; - разработку технических предложений на опытно-конструкторскую разработку устройства для диагностирования дизельных двигателей по параметрам неравномерности вращения коленчатого вала.
Первый этап экспериментальных исследований проводился в от -раслевой научно-исследовательской лаборатории диагностики автомобилей (ОЛДА.) кафедры эксплуатации автомобильного транспорта МАДЙ. В качестве объекта экспериментальных исследований был выбран двигатель ШЗ-236.
Перед началом исследований проводилась подготовка двигателя и его систем. Она заключалась в доведении до нормального технического состояния его систем и узлов, а также в оборудовании двигателя комплектом датчиков, необходимых для реализации измеряемых параметров.
При подготовке двигателя и его систем использовалось сущест вующее современное отечественное и зарубежное диагностическое обо рудование ( Motozpa NC-i08,Supez-3, дымомер NG-M2, К-69М и др.). Техническое состояние двигателя и его систем было приведено в соответствие с требованиями известных нормативов и инструкций завода-изготовителя.
Эксперимент проводился по разработанной программе исследований, которая представляет собой план активного (управляемого) многофакторного эксперимента.
Под планированием эксперимента понимается процедура выбора количества и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью /II/.
В планировании эксперимента используется метод кибернетического "черного ящика", входы в который представляют собой факторы, соответствующие способам воздействия на объект, а выходы - параметры процесса или, так называемые функции отклика.
Учитывая цели и задачи экспериментального исследования, факторы (табл.3.1) выбирались на основе анализа наиболее характерных неисправностей дизельных двигателей и его систем, а также их влияния на рабочиж процесс двигателя, мощностные экономические показатели и токсичность отработавших газов {см.1.2). При этом учитывались следующие требования, предъявляемые к факторам и их совокупности: управляемость, однозначность, операционнооть, достаточно высокая точность определения, независимость, совместимость.
Интервалы варьирования факторов выбирались с учетом изменений данных параметров в эксплуатации и точности установки уровней факторов. Фактор Xg варьировался одновременно во всех цилиндрах двигателя, а остальные - только в третьем и четвертом цилиндрах. Методика регулирования этих параметров (кроме Х ) не отличалась от известной и применяемой в практике технического обслуживания автомобилей. Для изменения величины утечки сжатого воздуха из цилиндра (варьирование фактора Х ) вместо уплотнительной шайбы, которая устанавливается между накидной гайкой форсунки и головкой блока цилиндров, ставились шайбы с вырезанной частью.
На основе теоретических исследований в качестве функций отклика (выходных параметров процесса) были выбраны следующие параметры: - приращение угловой скорости коленчатого вала (Дй); )от &W ДО тах.1 (рис.2.1) для каждого цилиндра двигателя; - уменьшение угловой скорости коленчатого вала ( ш[) от Wx.i Л0 тщі і) Для каждого цилиндра двигателя; - сумму приращений угловой скорости коленчатого вала (2А0ИЇ) для всех цилиндров двигателя; - среднее угловое ускорение коленвала двигателя (Ъ ) в режиме свободного разгона за 10 циклов работы; - средний цикловой расход топлива за десять циклов в режиме свободного разгона.
Выбор комплекса диагностических параметров на основе анализа результатов экспериментальных исследований
Планирование первого и второго порядка заканчивается отысканием адекватных уравнений (см.табл.3.3) соответствующего типа. Естественно,далее проанализировать полученную модель, т.е. представить себе характер изменения отклика в изученной области факторного пространства.
Характер и относительную силу влияния эффектов легче всего представить на диаграмме, где величина каждого коэффициента обозначена столбцом соответствующей высоты.
Диаграммы относительных сил влияния рассматриваемых факторов на параметры A6)L для всех цилиндров двигателя представлены на рис.4.1.Влияние парных взаимодействий на эти параметры не рассматривалось, т.к. вероятность появления двух неисправностей в одном цилиндре двигателя, как показали экспериметнальные исследования, проводимые в производственных условиях, не превышает 0,13.
Из анализа рис.4.1 видно, что наиболее сильно на параметры Ші влияет величина цикловой подачи топлива (Xj), изменение которой в третьем и четвертом цилиндрах на 20 мм3 приводит к изменению параметров Л0)3 ж ЛСО4 соответственно на 46 и 24$. Причём, с увеличением цикловой подачи значения последних возрастают, а с уменьшением -уменьшаются.
Значительное влияние на параметры АСОї оказывает также величина утечки сжатого воздуха из цилиндра в конце такта сжатия При изменении фактора Х от-І до +1, что соответствует увеличению утечек сжатого воздуха из цилиндра от номинального значения до предельного /80/, параметры Дй)5 и A(D4 уменьшаются соответственно на 21 и 13$.
Остальные факторы оказывают более слабое влияние на рассматриваемые параметры.
Так,изменение угла опережения начала подачи топлива (Х2) на 5 приводит к изменению параметров дбі в части цилиндров до 5%. При увеличении угла опережения начала подачи топлива (в изученной области факторного пространства) значения параметров йсОї увеличиваются, а при уменьшении - уменьшаются.
Снижение давления начала подъёма иглы распылителя форсунки (Хд) на 3 МПа увеличивает значения параметров ЛО)3 и 40)4 соответственно на 3,1 и 2,6$. Такое изменение рассматриваемых параметров обусловлено увеличением цикловой подачи топлива, которая может быть расчитана по формуле /49/: fr=V2p?fflf\/p-hdt , (4.1) где Рг -плотность топлива; p.f - эффективное дросселирующее сечение форсунки; р - давление в полости форсунки; ри - давление в цилиндре двигателя; ti - начало подъема иглы форсунки (начало впрыска топлива); tg - момент посадки иглы форсунки (момент окончания процесса впрыска).
Из формулы (4.1) видно, что цикловая подача топлива определяется эффективным дросселирующим сечением форсунки, перепадом давления др в полости форсунки и в цилиндре двигателя, плотностью топлива и продолжительностью процесса впрыска (tfj).
Снижение давления начала подъема иглы распылителя приводит к более раннему началу впрыска топлива и к запаздыванию момента посадки иглы форсунки, а следовательно, и к увеличению продолжительности процесса впрыска.
Кроме того, на минимальных оборотах холостого хода эффективное дросселирующее сечение форсунки определяется ходом иглы форсунки, а не проходным сечением сопел распылителя /50,75/. Снижение силы затяжки пружины форсунки приводит к увеличению хода иглы распылителя и соответственно к увеличению эффективного дросселирующего сечения форсунки. Незначительное снижение давления в полости форсунки, вызванное увеличением хода иглы распылителя, не оказывает существенного влияния на величину цикловой подачи.
Ухудшение качества распыла топлива также не оказывает заметного влияния на рабочий процесс, т.к. при минимальных оборотах холостого хода времени на процессы смесеобразования и сгорания вполне достаточно.
Таким образом,перечисленные факторы приводят к росту работы цикла, что и определяет увеличение значений параметров ACJi Соответственно увеличение силы затяжки пружины форсунки (увеличение давления начала подъема иглы распылителя) вызывает обратные явления, и,как следствие,приводит к уменьшению значений параметров Дб)е
