Экспресс-оценка остаточного ресурса цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания

А.В. Дунаев

ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Получена новая диагностическая информация по сопоставлению значений полного и частичного вакуумов с компрессией. Она позволяет экспрессно оценивать израсходованный и остаточный ресурсы каждого цилиндра в отдельности. Кроме того, можно определять то предельное состояние ЦПУ, при котором еще целесообразно восстанавливать ее добавками в работающее масло. Ключевые слова: ресурс машин, двигатели внутреннего сгорания, компрессия, повышение износостойкости деталей.

У'"\ пределение полного, а при техническом обслуживании и текущем ремонте — остаточного срока службы актуально для большого класса машин и оборудования.

Оптимальный метод определения полного и остаточного ресурса машин массового изготовления — технико-экономический, когда находят момент времени эксплуатации, при котором наступает минимум суммарных удельных затрат и издержек на использование, техническое обслуживание, ремонт и др. Этот метод глубоко развит д.т.н. В.М. Михлиным, доведен им до универсального использования по номограммам, таблицам и представлен в виде компьютерной программы Турбо-НЭК, что получило признание в России и за рубежом.

Метод основан на контроле постепенного изменения характерных параметров технического состояния объектов (деталей, узлов, агрегатов) во время их работы, контроле отказов и неисправностей, учете всех затрат на обслуживание, замену неисправных деталей и узлов при ремонте, потерь и издержек от простоев машин и оборудования. Таким образом, реализация метода требует сбора немалых по объему и времени диагностических и техникоэкономических данных.

На основании метода минимума суммарных удельных затрат различными исследователями установлен и апробирован более простой, однако также интегральный, метод, по которому оптимальный срок списания машины определяется тем временем ее эксплуатации, при котором суммарные затраты на ремонт и устра-

нение неисправностей машины (или хотя бы стоимость использованных запасных частей) становится равной стоимости новой машины.

Вместе с тем для мастерских и гаражей по текущему ремонту машин с бензиновыми и дизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) порой требуется оперативное определение остаточного ресурса цилиндропоршневой группы (Ц1II ), которая в обычных условиях эксплуатации определяет потребность ДВС в ремонте со снятием его с машины. Растет актуальность в таком экспресс-методе в связи с ширящемся успешном применением для увеличения сроков службы ДВС различных высокодисперсных минеральных и металлических порошков, препаратов органической и неорганической природы.

При этом важная роль в подготовке, отслеживании результатов и корректировке так называемого «безразборного ремонта», принадлежит углубленному диагностированию ЦПГ. Применяемый для этого контроль компрессии, дополняемый контролем вакуума в цилиндрах, позволяет определять как исправность деталей камеры сгорания, так и аварийные дефекты клапанов газораспределения, износы или аварийные дефекты поршневых колец и износы гильз по отдельным цилиндрам бензиновых ДВС даже в полевых условиях.

Широкое применение контроля вакуума остаточно и полного приборами типа КИ-5973-ГОСНИТИ, изготавливаемых под марками АГЦ, АГЦ-2 и АПЦ, позволило их авторам накопить необычный статистический материал диагностирования ЦПГ. Сопоставив значения полного и частичного вакуумов с компрессией, авторы получили новую диагностическую информацию. Она позволяет экспрессно оценивать израсходованный и остаточный ресурсы каждого цилиндра в отдельности. Кроме того, можно определять то предельное состояние ЦПГ, при котором еще целесообразно восстанавливать ее добавками в работающее масло.

Зависимость полного и остаточного вакуума от компрессии для основных марок, например бензиновых, ДВС приведена на рис. 1, где верхняя кривая — по остаточному вакууму, а нижняя — по полному. Здесь долю остаточного ресурса ЦПГ какого-либо цилиндра определяют отношением длины кривой от точки результа-

тов его диагностирования (точка А или Б) до зоны предельного состояния ЦПГ (точка С) к общей длине кривой графика (ОС), т.е. отношением АС/ОС или БС/ОС. Начальная часть кривой (от зоны номинальных значений параметров, точка О) до точки конкретного технического состояния (точка А или Б) аналогично определяет долю израсходованного ресурса. Зная наработку ДВС при контроле, можно оценить оба ресурса в ее единицах. Предпочтительнее пользоваться верхней кривой, а нижняя может использоваться для уточнения результатов диагностирования.

Пример реализации изложенного. У двигателя автомобиля ВАЗ-21013 с пробегом 88500 км расход масла на угар повысился до 0,85 л на 1000 км, возникла необходимость определить техническое состояние цилиндров и меры по уменьшению расхода масла.

60 ------------------1-------------1--------------1--------------1-------------1--------------1-------------1--------------н

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0 1,1 1,2 /'к- МПа

Рис. 1. Зависимость полного Рп и остаточного Ро вакуумов от компрессии Рк при безаварийном состоянии цилиндров бензинового ДВС

Решили совместить диагностирование и восстановление ЦПГ введением в цилиндры по 20 мл и в картерное масло 100 мл масляно-керосиновой суспензии серпентинового препарата «Recovery» НПФ «ЭСКО».

При снятых свечах зажигания шесть раз прокручивали ДВС стартером по 5-7 с с интервалами 1,5-2 мин. Далее двигатель запустили и на частоте вращения 700-800 мин-1 он работал примерно 68 мин до появления паровыделения из выпускной трубы. Для ускорения процесса несколько раз увеличивали частоту вращения до 3000-3500 мин-1. Такая процедура сочетает подготовку ЦПГ к ди-агностированию и ее восстановление. В табл. 1 приведены значения парамет-ров ЦПГ после всех работ.

Таблица 1

Показатель Значение показателя, кПа, для цилиндров

перво- го второ- го третьего четверто- го

Первое диагностирование до обработки, пробег 88500 км Компрес- сия 850 920 870 850

Полный вакуум 81 82 80 80

Остаточ- ный 32 28 34 25

Второе диагностирование после первой обработки, пробег 88996 км Компрес- сия 900 950 890 900

Полный вакуум 82 82 80 82

Остаточ- ный 20 24 30 26

Третье диагностирование после второй обработки, пробег 89960 км Компрес- сия 1050 1010 1000 1010

Полный вакуум 81 80 81 82

Остаточный вакуум 22 26 28 24

Контроль, пробег 92037 км Компрес- сия 1050 1020 1020 1100

По результатам первого диагностирования израсходованный ресурс ЦПГ первого цилиндра (рис., точка А) был наибольшим — около 73 %, а остаточный — наименьшим — 27 %. После двух воздействий по результатам третьего диагности-рования наименьшим был остаточный ресурс третьего цилиндра (точка Б),

он составил 49 % (до обработки 28 %), а наибольшим — первого цилиндра (55 %, точка А'). После первой обработки угар масла уменьшился, а после второй стал незаметным. Окончательный контроль подтвердил стабильность хорошего результата обработки и к пробегу 115 тыс. км ухудшения работы мотора не наблюдали. Получены подобные зависимости и для дизелей.

При доверительной вероятности ґ = 1,96, соответствующей рассеиванию значений рассмотренных диагностических параметров на три сигмы, коэффициенте вариации распределения этих же параметров, равном 1 и требуемой погрешности контроля не свыше 20 % для построения кривых на рисунке требуется не менее 98 достоверных результатов контроля {(1,96/0,02)х1 = 98}. Полагаем, что такие кривые основаны на взаимосвязи конструктивных параметров ЦПГ без влияния ее размерности, развиваемой мощности ДВС и частоты вращения коленчатого вала и предположительно являются общими для бензиновых ДВС со степенью сжатия в пределах 7—11, а для дизелей 13—18. Поэтому такого числа достоверных результатов измерений достаточно, чтобы диагностировать большинство марок автотракторных и транспортных ДВС. Этим достигнуто резкое снижение трудоемкости подготовки графиков для оперативной оценки остаточного ресурса ЦПГ ДВС.

По тем же статистическим данным и полученным кривым выявлено также, что если точка результатов контроля не укладывается на кривые, то это означает, что ЦПГ в данном цилиндре имеет аварийный дефект. Чем больше точка удалена от линии естественного изнашивания ЦПГ, тем значительней этот дефект. Кроме того, если положения точек для одного цилиндра на обеих кривых противоречивы, то это свидетельствует об ошибках измерений и требуется перепроверить их. При повторном диагностировании после работы препарата на кривых обнаруживается естественное смещение диагностических точек к зоне номинального состояния ЦПГ и по величине этого смещения оценивается эффективность обработок. На рисунке это видно по смещению точек 1, 2, 3, 4 значений параметров, соответствующих номерам цилиндров, в зону номинального состояния ЦПГ к точкам 1', 2', 3', 4'.

Опыт «безразборного ремонта» ДВС минеральными добавками в масла более чем за 20-летний период доказал его безусловную эффективность, но если в ДВС нет аварийных дефектов и его оста-

точный ресурс не менее 10 % от номиналь-ного, т.е. если компрессия в бензиновом моторе не менее 5 бар, в дизеле — не менее 17 бар, а расход масла на угар не более 5 % от расхода топлива.

«Безразборный ремонт» развивается в России [1—3], Украине, Китае, Финляндии, Вьетнаме. Есть опыт его применения в Японии (препарат «METARIZER», metal surface treatment), Швеции, Германии, Италии, в некоторых других странах Европы и других континентов. Минеральные препараты серпентиновой природы выпускают не только в России — родоначальнице этого направления, но и в Финляндии, Швеции, Германии, Франции. Препараты других типов выпускают многие развитые страны.

Системные научные исследования по применению геотрибо-модификаторов для повышения износостойкости деталей машин и оборудования с положительными результатами впервые проведены в Ленинградском институте «Механобр» в 1987 — 1990 гг. и в военно-морской академии им. Н.Г. Кузнецова. Там же началось приготовление «РВС-составов» с распространением их в регионы России, в страны Европы и Азии. Были созданы коллективы «Энион-Балтика», «Руспром-ремонт», «Форсан», их отделения в Москве, в десятках других городов России. Выпускает аналогичные препараты и Украинский концерн «ХАДО».

Активно занимаются этой темой в ИМАШ РАН, где создан комплексный препарат «АРВК», синергетически объединивший положительные свойства серпентинов и трибополимерной добавки ИМАШ. По этой теме в С. — Петербурге (декабрь 2004 г.) и в Москве (январь 2005 г.) проведены международные конференции.

В настоящее время известны около 200 ремонтно-восстановительных препаратов разнообразной природы как зарубежных, так и отечественных:

• металлоплакирующие (МКФ-18У; приработочные, эксплуатационные и эксплуатационно-восстановительные Саратовские композиции «Кластер»; препараты Валена, РиМет, составы МПП на основе некоторых лигандов и др.);

• полимероплакирующие (Форум, Аспект-модификатор, универсальный модификатор, эпиламы, другие составы на основе политетрафторэтилена и его производных, MicroX3 и др.);

• дисперсные растворы алмазных порошков, графита, дисульфида молибдена, талька и др. слоистых минералов, в том числе серпентиновых;

• специфические химические (Реагент 2000, ER, Дюралюб, Анамегатор масла GOLD OZEROL МП-8, Феном, и др.).

Высокую эффективность мгновенно показывает препарат Mi-croX3 на основе фторкарбонатной смолы, многократно снижающий трение и в 3—5 раз, повышающий нагрузочную способность узлов трения. А простое введение в маслофильтр ДВС магниевой фольги размером 80 x 20 мм и толщиной 0,3.. .0,5 мм позволяет резко уменьшить изнашивание ДВС и продлить срок службы масла до 50 тыс. км пробега автомобиля (способ награжден в 1970 г. золотой медалью ВДНХ СССР). Однако во всем многообразии предлагаемых препаратов трудно сориентироваться, не все имеют должное качество и не все подлежат применению.

В последнее время все шире применяют минеральные серпен-тиновые препараты, которые имеют преимущество по простоте изготовления, экологичности и по оптимальному соотношению цены и качества. Их используют для восстановления не аварийно изношенных сопряжений таких агрегатов, как транспортные (на тепловозах и карьерных автосамосвалах) и судовые дизели, автотракторные бензиновые и дизельные ДВС, коробки передач и ведущие мосты самоходной техники, различная гидравлическая и топливная аппаратура дизелей, крупногабаритные подшипники качения и др. Особенно эффективно применение таких составов для узлов и сопряжений, работающих в экстремальных условиях с низкокачественной смазкой и без смазки.

Внедрением РВС-препаратов занимаются НИИ России и Китая, ВУЗы РФ, а также отдельные ученые и предприниматели. На РВС-препараты имеется более 50 патентов РФ. Фактическая эффективность применения РВС-препаратов:

• повышенные твердость и зеркальная чистота на поверхностях трения прозрачного «железомагниевого стекла» снижают коэффициент трения от 10—15 % для неизношенных поверхностей и до нескольких раз — для аварийно изношенных. Это обусловливает снижение механических потерь в ДВС до 15 %, в других агрегатах — до 30 %. Пропорционально снижается удельное потребление топлива и энергии;

• снижается скорость изнашивания сопряжений в 1,5.3 раза, что позволяет увеличить ресурс узлов не менее чем в 1,5 раза, а для изношенных ДВС — не менее чем на 20.30 %. При двух-трех кратной обработке неаварийных автотракторных дизелей их наработка

увеличивается на 2.3 тыс. моточасов, у автомобильных ДВС — на 30.50 и до 100 тыс. км пробега;

• повышается давление масла в ДВС на 40.100 кПа, что продлевает их ресурс и уменьшает вероятность аварии кривошипношатунного механизма.

Использование «РВС-препаратов» улучшает геометрию цилиндров ДВС, снижает шум и вибрацию различных агрегатов на 1.3 dB, на 10.15 % — выбросы вредных веществ с отработавшими газами, на 5.20°С температуру масла, уменьшает его расход и увеличивает срок службы. Многократно подтверждено, что после «РВС-обработки» обеспечивается работа на низкокачественном масле, а при его потере — возможность проехать в щадящем режиме 100.200 км и избежать аварии (например, Журнал «За рулем», 2008, № 1).

Следует отметить существенное уменьшение времени простоев машин по техническим причинам, двукратное сокращение времени приработки агрегатов, облегчение пуска ДВС в холодное время, увеличение периодичности технического обслуживания, ресурса уплотнений и уменьшение протечек масла.

В неаварийно изношенных ДВС обеспечивается быстрое рас-коксовывание ЦПГ и восстановление изношенных сопряжений. В некоторых случаях применение РВС-препарата целесообразно даже при снижении компрессии до 0,4 МПа в бензиновых и до 1,5 МПа в дизелях. Все это снижает эксплуатационные издержки и является существенным резервом в повышении надежности работы и срока службы машин. Эффективность применения РВС-препаратов подтверждена и при обкатке различных агрегатов, а по данным ВМА им Н.Г. Кузнецова введение этих препаратов в различные виды топлив заметно повышает их теплотворность.

Применение «РВС-технологии» отодвигает или исключает капитальные, упрощает текущие ремонты различных агрегатов, заметно снижает трудоемкость и затраты на эксплуатацию и существенно продлевает ресурс машин.

Время показало, что производителям машин и эксплуатационникам целесообразно вводить в регламент технического обслуживания и ремонта работы по «безразборному ремонту». Так в МПС РФ и в его Забайкальском отделении в 2000 — 2004 г. введены технологические инструкции по такой обработке тепловозных дизелей и тормозных компрессоров.

1. Автомобильные масла, смазки, присадки. Справочник автомобилиста. — М. — С. — Пб, 2000.

2. Шабанов А.Ю. Очерки современной автохимии. Мифы или реальность.

— С-Пб, 2004.

3. Балабанов В.И. и др. Безразборный сервис автомобиля. Обкатка, профилактика, очистка, тюнинг, восстановление. — М., Известия, 2007. шы=1

Dunaev A.V.

EXPRESS ESTIMATION OF THE RESIDUAL RESOURCE OF TSILINDRO-PISTON GROUP OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

The new diagnostic information on comparison of values full and partial вакуумов with a compression is received. She allows экспрессно to estimate the spent and residual resources of each cylinder separately. Besides, it is possible to define that limiting condition ЦПГ, at which else it is expedient to restore its additives in working oil.

Key words: Resource of cars, internal combustion engines, compression, increase of wear resistance of details.

— Коротко об авторе -----------------------------------------------------

Дунаев А.В. — кандидат технических наук, зав. сектором ГОСНИТИ