ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013 Krzysztof Rokicki 1, Krzysztof Szczurowski 2, Łukasz Zieliński 3 PRZEGLĄD METOD OCENY STANU TECHNICZNEGO PRZESTRZENI ROBOCZEJ CYLINDRÓW SILNIKÓW SPALINOWYCH 1. Wstęp Wraz z rozwojem przemysłu motoryzacyjnego, pojawią się nowe metody diagnostyki pojazdów. Wynika to z coraz bardziej skomplikowanych układów instalowanych w samochodach, jak również z potrzeby wzrostu efektywności diagnozy i napraw. Podzespołem, którego diagnostyka ma bardzo szeroki zakres i spektrum możliwości jest silnik spalinowy. Ocena stanu technicznego silnika umożliwia ustalenie stopnia przydatności silnika do dalszej pracy oraz potrzeby i zakresu prac kontrolnych i naprawczych. Określenie jednoznacznego uszkodzenia lub zużycia poszczególnego elementu jest często niemożliwe bez demontażu wybranych podzespołów, niemniej jednak istnieje możliwość stwierdzenia, którego cylindra dana usterka dotyczy co ogranicza pole poszukiwań. W diagnostyce silników istnieje wiele sposobów oceny stanu technicznego, jednym z nich jest badanie szczelności. Badanie szczelności komory spalania odbywa się głównie na zasadzie pomiaru ciśnienia sprężania, podczas próby rozruchu silnika spalinowego. Tego typu pomiar wiąże się z pewną niedokładnością urządzenia oraz niepowtarzalnością pomiaru ze względu na zmieniające się warunki, w których dokonywany jest pomiar. Co więcej, dla ułatwienia i przyspieszenia tego typu badania wymagana była obecność co najmniej dwóch osób. Znana jest również metoda opierająca się na analizie chwilowej prędkości wału korbowego, która obliczana jest przez sterownik lub urządzenie diagnostyczne na podstawie sygnału z czujnika położenia wału korbowego oraz czujnika wału. Impulsowy sygnał z czujników można przekonwertować do bardzo dokładnego wykresu prędkości obrotowej, w którym łatwo zaobserwować zmiany prędkości obrotowej po każdym wybuchu mieszanki paliwowo powietrznej w cylindrze silnika spalinowego Ciśnienie sprężania Pomiar ciśnienia sprężania jest wykorzystywany do sprawdzenia stopnia zużycia elementów silnika, które mają wpływ na szczelność cylindra, tzn. gładzi cylindra, tłoka, pierścieni oraz przylgni zaworów i ich gniazd. Do pomiaru ciśnienia wykorzystuje się manometry (Rys. 1). 1 mgr inż. Krzysztof Rokicki, doktorant, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska 2 dr inż. Krzysztof Szczurowski, kierownik Zintegrowanego Środowiskowego Laboratorium Systemów Mechatronicznych Pojazdów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska 3 inż. Łukasz Zieliński, student, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Politechnika Warszawska 103

2 a) b) Rys. 1. a) Manometr do badania ciśnienia sprężania. b) Przykładowe wskazanie manometru podczas pomiaru ciśnienia sprężania w silniku Praktycznie, na dokładność pomiaru cienienia sprężania mają wpływ: temperatura silnika w czasie pomiaru; wartość luzu zaworowego; ciśnienie otoczenia; stopień otwarcia przepustnicy; prędkość obrotowa wału korbowego. Pod wpływem zmian temperatury następują zmiany wymiarów elementów silnika ze względu na rozszerzalność cieplną, a tym samym zmiany wartości luzów w skojarzeniach decydujących o szczelności przestrzeni roboczej (tłok- pierścienie tłokowe, pierścienie tłokowe - gładź cylindra, zawór-gniazdo zaworowe, głowica uszczelka blok cylindrów). Przy zimnym silniku zwiększone są opory mechaniczne obracania wału korbowego (gęsty olej). Różnice ciśnienie sprężania, zmierzone na tym samym, zimnym i rozgrzanym silniku mogą osiągać wartości do ok. 0,08 MPa (rys 2). Dlatego też bezwzględnie należy przestrzegać warunku zachowania, w trakcie pomiaru ciśnienia sprężania, stałej temperatury badanego silnika. 104

3 Mierzone ciśnienie sprężania [MPa] Temperatura badanego silnika [ºC] Rys 2. Wykres ciśnienia sprężania w funkcji temperatury silnika [7] Prawidłowa wartość luzów zaworowych ma wpływ na otwarcie i zamknięcie zaworów dolotowych i wylotowych w ściśle określonym momencie. Zwiększenie luzu zaworu dolotowego w stosunku do wartości nominalnej powoduje wzrost ciśnienia sprężania, zmniejszenie zaś spadek. Spowodowane jest to zmianą czasu zamknięcia zaworu przy większym luzie zawór zamyka się wcześniej.wcześniejsze zamknięcie zaworu dolotowego powoduje gorsze przepłukanie cylindra i wzrost ciśnienia sprężania. Istotne jest zatem sprawdzenie luzów zaworowych i ich ewentualna korekta przed przystąpieniem do badania ciśnienia sprężania. Wartość ciśnienia sprężania zależy od stopnia otwarcia przepustnicy. Wynika to z oporów przepływu powietrza w suwie ssania. Różnica wartości ciśnienia dolotu zmierzonego przy całkowicie zamkniętej przepustnicy i całkowicie otwartej wynosi około 5%. By wyeliminować powyższy problem, badanie należy wykonywać przy pełnym otwarciu przepustnicy. Wartość prędkości obrotowej nie powinna się zmieniać w czasie trwania całej próby. Spadek prędkości obrotowej o 10 obr/min powoduje zmniejszenie ciśnienia sprężania o około 0,01 MPa (rys. 3). Istotne jest zatem by badany pojazd w czasie pomiaru posiadał akumulator, którego pojemność oraz prąd rozruchowy był odpowiedni do napędu rozrusznika. W innym przypadku można podłączyć dodatkowy akumulator, który pozwoli na stabilizację prędkości obrotowej podczas pomiaru. 105

4 Mierzone ciśnienie sprężania [MPa] Prędkość obrotowa wału korbowego [obr/min] Rys 3. Wykres przedstawiający zmianę ciśnienia sprężania w funkcji prędkości obrotowej silnika [8] 2.2. Spadek napięcia na ogniwach akumulatora lub poboru prądu przez rozrusznik podczas uruchamiania silnika Wraz ze zwiększającym się ciśnieniem w przestrzeni roboczej cylindra w suwie sprężenia, wzrastają siły działające na denko tłoków powodując tym samym wzrost momentu oporów obracania wału korbowego, które musi pokonać rozrusznik podczas próby rozruchu. Wszystkie rozruszniki elektryczne są szeregowymi silnikami prądu stałego. Pobierany przez nie prąd jest proporcjonalny do wytwarzanego momentu, zawsze równoważonego momentem oporów ruchu wału korbowego. Wobec tego wzrost mechanicznego obciążenia rozrusznika prowadzi do wzrostu pobieranego przez niego prądu oraz spadku napięcia na ogniwach akumulatora. W rezultacie przebieg poboru prądu odpowiada przebiegowi zmian momentu niezbędnego do obracania wału korbowego. Wielkości te są więc uzależnione od oporów ruchu wału korbowego w suwie sprężania i mogą służyć jako kryterium oceny szczelności przestrzeni roboczej silnika. Prawidłowy stan techniczny przestrzeni roboczej, a właściwie jej szczelność, jest charakteryzowana równomiernymi spadkami napięć w funkcji czasu. Jest to widoczne na wykresach, gdzie obserwuje się jednakowe wartości amplitud rejestrowanych krzywych (rys. 4 a). Uzyskanie podobnego obrazu krzywych przy mniejszych wartościach spadków napięć które mogą być dodatkowo mierzone za pomocą woltomierza lub oscyloskopu, świadczy o równomiernym zużyciu silnika. Uszkodzenia elementów warunkujących szczelność przestrzeni nadtłokowych, powodujące zróżnicowanie wartości ciśnienia sprężania w cylindrach, są przyczyną występowania różnych napięć (np. DU, DU2, DU6 na rys. 4 b). Dla silników europejskich dopuszczalna jest różnica poboru prądu rzędu 5 A w stosunku do danych właściwych określonemu typowi silnika. Jeżeli przekracza ona tą wartość, należy w odpowiednim cylindrze zmierzyć ciśnienie sprężania za pomocą manometru (próbnika cienienia sprężania). 106

5 Rys. 4. Wykres spadku napięcia akumulatora podczas uruchamiania silnika: a) przestrzenie robocze szczelne, b) nieszczelność przestrzeni roboczej 2 i 6 cylindra [9] 3. Mechanika układu korbowo-tłokowego. W skład układu korbowego wchodzą: tłok, korbowód, wał korbowy z kołem zamachowym. Wszystkie te elementy współpracują ze sobą. Tłok połączony jest z korbowodem sworzniem tłokowym, którego oś jest równoległa do osi wału korbowego. Rys. 5. Układ korbowo-tłokowy silnika 4- cylindrowego [1] Drugi koniec korbowodu obejmuje obrotowo czop korbowy wału korbowego (rys 5). Odległość pomiędzy osią czopa korbowego od osi wału korbowego nazywamy ramieniem korby. Położeniem tłoka, przy którym oś korbowodu i oś korby pokrywają się nazywamy martwym lub zwrotnym położeniem. Rozróżnia się dwa zwrotne położenia (rys 6). Dolne martwe położenie ma miejsce gdy tłok znajduję się najdalej od głowicy i komora 107

6 spalania jest największa, zaś górne martwe położenie gdy tłok znajduje się najbliżej głowicy a komora spalania jest najmniejsza. Rys. 6. Schemat układu korbowego zbieżnościowego [2]: r promień korby, l odległość osi sworznia od osi czopa korbowego, s skok tłoka, x przesunięcie tłoka od GMP, a kąt obrotu korby, β kąt wychylenia korbowodu, G- górne martwe położenie D-dolne martwe położenie Ruch tłoka można opisać za pomocą następujących zależności: droga tłoka: r ; l l sin r sin x r l-r cos α-l cos β r[( 1- cos α) r( 1- cos α) l( 1- cos β) 1 ( 1 cos β) λ (1) prędkość tłoka: v dx dt dx d d dt r(sin sin 2 2 d ) dt r (sin sin 2 2 ) przyspieszenie tłoka a dv dv d 2 r (cos dt d dt cos 2 ) 108

7 3.1 Nierównomierność biegu silnika. Podczas jednego cyklu roboczego silnika spalinowego mamy do czynienia ze zmiennym momentem obrotowym. Moment wypadkowy jest złożeniem momentu wynikającego z działania sił gazowych oraz momentu oporów bezwładności. Rys. 7. Wykres prędkości tłoka w funkcji obrotu wału korbowego [3] Rys. 8. Wykres momentu obrotowego wału w funkcji obrotu wału korbowego [5] Biorąc pod uwagę ruch ustalony, można przyjąć że moment oporów jest stały. Moment obrotowy wynikający z działania sił gazowych powoduje nadwyżkę wypadkowego momentu (rys. 7) czego skutkiem zwiększenie prędkości obrotowej wału korbowego. W ciągu jednego okresu zmienności momentu obrotowego może występować kilkakrotnie zrównoważenie momentu obrotowego i momentu oporów. Chwila, w której te momenty są sobie równe odpowiadają ekstremalnej wartości prędkości obrotu wału korbowego (rys. 8, 9). 109

8 Rys. 9. Przebieg chwilowego momentu obrotowego i chwilowej prędkości obrotowej funkcji obrotu wału korbowego [6] Nierównomierność biegu silnika może zdefiniować następującym wzorem: max sr min n max n sr n min (2) gdzie: max min sr (3) 2 nierównomierność biegu silnika maksymalna chwilowa prędkość kątowa/obrotowa minimalna chwilowa prędkość kątowa/obrotowa średnia prędkość kątowa/obrotowa max min sr 4. Podsumowanie W dobie rozwoju układów elektronicznych ich dostępność, jak i koszt są o wiele korzystniejsze i umożliwiają masowe zastosowanie w badaniach kontrolnych silników spalinowych. Dotychczas stosowane metody (pomiar ciśnienia sprężania) lamusa będą stosowane coraz rzadziej, przede wszystkim ze względu na wykorzystanie oleju silnikowego, wprowadzanego bezpośrednio do cylindra podczas tzw. testu olejowego. 110

9 Takie badanie w nowoczesnych silnikach skutkowało uszkodzeniami dopalacza katalitycznego w układzie wydechowym. W wypadku badania zmian napięcia na akumulatorze należy zabezpieczyć silnik przed zapłonem, co również oznacza ingerencje w układ zapłonowy. W wypadku analizy zmian chwilowej prędkości wystarczy pobrać sygnał z czujnika prędkości obrotowej i czujnika wałka rozrządu (umożliwiający identyfikację cylindrów). Literatura: [1] Zając P., Kołodziejczyk L.M.: Silniki spalinowe. WSiP. Warszawa 2001, ISBN [2] Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe. WKŁ. Warszawa 1988, ISBN [3] Praca zbiorowa: Informator techniczny Bosch. Sterowanie silników o zapłonie iskrowym. WKŁ. Warszawa 2008, ISBN [4] Kneba Z., Makowski S.:Zasilanie i sterowanie silników. WKŁ. Warszawa 2004, ISBN [5] Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. WKŁ. Warszawa 2010, ISBN [6] Instrukcje do ćwiczeń realizowanych w Instytucie Pojazdów Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych. {Dostępny [7] Instrukcje do ćwiczeń realizowanych w Zakładzie Pojazdów i Diagnostyki Uniwersytetu Techniczno-Przyrodniczego. {Dostępny [8] Instrukcje do ćwiczeń realizowanych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej. {Dostępny ransporcie [9] Dynamika układu korbowego. Autowiedza, 2011 {Dostępny Streszczenie Niniejsza praca przedstawia istniejące metody pozwalające na ocenę stanu technicznego silników spalinowych, które są najczęściej stosowane w diagnostyce przestrzeni roboczej cylindra. Przedstawiono metody warsztatowe, takie jak pomiar ciśnienia sprężania czy pomiar prądu lub napięcia na akumulatorze podczas pracy rozrusznika. Przedstawiono również metodę polegającą na pomiarze chwilowej prędkości obrotowej wału korbowego w funkcji kąta obrotu wału, jako prostą nieinwazyjną metodą, która może zastąpić znane i popularne metody warsztatowe. Słowa kluczowe: diagnostyka, silnik spalinowy, chwilowa prędkość obrotowa wału korbowego 111

10 METHODS OF ASSESSMENT REVIEW OF TECHNICAL AREA OF WORKING CYLINDER COMBUSTION ENGINES Abstract This paper presents the current methods to assess the technical condition of internal combustion engines, which are most commonly used in the diagnosis of the cylinder. The methods of workshops, such as compression test and measure current or voltage on the battery while the starter. It also presents a method based on the measurement of the instantaneous crankshaft speed as a function of the angle of rotation of the shaft, as a simple non-invasive method that can replace the well-known and popular methods workshop. Keywords: diagnostics, internal combustion engine, the instantaneous speed of the crankshaft 112