УСТРОЙСТВО АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ МОТОРНОГО МАСЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ
DEVICE TO ANALYSE CONTAMINATION OF MOTOR OIL OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE BY DISPERSE PARTICLES

Изобретение относится к измерительной технике и к устройствам анализа фактического состояния моторного масла, находящегося в картере двигателя, и может быть использовано для оперативного контроля концентрации механических примесей в моторном масле, например продуктов износа машин и механизмов в смазочном масле, а также для определения концентрации в нем нерастворимых продуктов горения. Техническим результатом изобретения является определение содержания механических примесей (взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц) моторного масла для двигателей внутреннего сгорания.
Изобретение относится к технике измерений и может использоваться в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла.
Известен способ оценки загрязненности механическими примесями моторного масла двигателя внутреннего сгорания (Пат. RU 2301414, G01N 11/10 от 20.06.2007), по которому путем измерения времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости с пробой масла, взятой из картера двигателя и сравнением ее с составленной заранее функциональной зависимостью для данного сорта масла, пробу масла из картера двигателя делят на две части, одну из которых доводят до оптимальной температуры термически и измеряют время перемещения чувствительного элемента, а другую обрабатывают ультразвуком до достижения ею оптимальной температуры, измеряют время перемещения чувствительного элемента, причем замер времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости производят для обеих частей проб масла раздельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости, сравнивают разность времен перемещения чувствительного элемента, произведенную отдельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости, с пробами масла, прогретыми ультразвуком и термически, с заранее составленной функциональной зависимостью для подобных условий, и производят оценку загрязненности масла механическими примесями.
Недостаток данного способа состоит в том, что он не позволяет проводить оперативный анализ качества масла, а лишь в лабораторных. условиях.
Известен способ анализа взвешенных частиц (А.с. SU 507807, G01N 15/02, от 25.03.1976), заключающийся в том, что исследуемые частицы облучают монохроматическим излучением, рассеянное излучение смешивают с опорным и подают на фотоприемник и проводят его амплитудно-частотный анализ.
Недостаток данного способа состоит в том, что он не позволяет проводить оперативный анализ взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в моторном масле двигателя внутреннего сгорания.
Известен фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц (А.с. SU 15203997, G01N 15/02, от 07.11.1989), заключающийся в том, что в потоке частиц, освещенном неподвижным пучком света, возбуждают акустическое колебание в направлении, перпендикулярном направлению потока и оси пучка, и регистрируют "пачки" импульсов рассеянного частицами света, возникающие при пересечении пучка света колеблющимися частицами, по амплитудам которых судят о размерах частиц, а по средней частоте повторений "пачек" - о концентрации частиц.
Недостаток данного способа состоит в том, что он не позволяет проводить оперативный анализ взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в моторном масле двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является способ определения параметров дисперсных частиц (Пат. RU 2346261, G01N 15/02 от 10.02.2009), включающий зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного излучения и одновременного воздействия импульсов ультразвуковых колебаний, регистрацию рассеянного и отраженного дисперсными частицами излучения, по динамической составляющей рассеянного и отраженного под малыми углами относительно направления распространения дисперсными частицами излучения, определяют их собственные частоты механических колебаний и находят размер частиц.
Недостаток данного способа состоит в том, что он не позволяет проводить оперативный анализ взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в моторном масле двигателя внутреннего сгорания.
Задачей заявленного устройства является разработка технологии повышения точности оценки фактического состояния моторного масла с определением концентрации продуктов износа и эксплуатационного изменения масла.
Поставленная задача решается тем, что устройство анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами, включает лазер в качестве источника зондирующего излучения, светоделитель (полупрозрачное зеркало), объектив, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину, ультразвуковой генератор и излучатель ультразвуковых колебаний, для повышения точности измерения угарных и металлических частиц, находящихся в масле в него дополнительно введены канал контроля металлических частиц, располагающийся внизу масляного поддона картера двигателя и канал контроля угарных частиц, располагающийся на высоте минимального уровня масла в картере, каждый из которых содержит фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и излучатель ультразвуковых колебаний, так же содержит цифроаналоговый преобразователь и коммутатор для возможности последовательного переключения излучателей ультразвуковых колебаний в каналах контроля, при этом все ультразвуковые излучатели управляются через цифроаналоговый преобразователь электронно-вычислительной машиной в соответствии с математической моделью колебаний поверхности частицы от воздействия облучений и с параметрами температуры, получаемой при помощи датчика температуры, усилителя и аналого-цифрового преобразователя.
Технический результат от использования данного устройства связан с разработкой электронной системы для оценки состояния моторного масла двигателей внутреннего сгорания, что позволяет контролировать качество работы двигателя, оставшийся ресурс работы масла до его замены.
Многолетний опыт, накопленный в разных странах, дает основание утверждать, что диагностика машин по анализу работающего масла - это надежный способ выявления неисправностей. При разборке и ремонте машин прогнозируемые дефекты подтверждаются в 95% случаев. Изложенные предпосылки обосновываются тем, что масло является наиболее эффективным, гибким, изменяемым и контролируемым элементом и накопителем информационных признаков состояния машины.
Для достижения максимального эффекта необходима правильная система сбора информации и ее точная интерпретация. Систематический оперативный контроль качества масла и статистическая обработка результатов этого контроля позволяют определять, на каких стадиях возникают дефекты в машине, устанавливать и устранять причины их образования.
Опыт показывает, что при условии контроля параметров масла и систем в эксплуатации можно обеспечивать надежную работу машины в пределах установленного ресурса.
Как известно, в масле, находящемся в масляной системе двигателей, происходят непрерывные количественные и качественные изменения. Количественные изменения происходят за счет угара его в цилиндропоршневой группе (ЦПГ) двигателя. Качественные изменения, известные под общим названием «старение масла», складываются из целого ряда физических и химических процессов, протекающих в масляной системе. Показатели, характеризующие отрицательные свойства (такие, как содержание нерастворимых примесей размером 1…6 мкм), по мере старения масла увеличиваются.
Механические примеси накапливаются в моторном масле в результате попадания пыли с засасываемым воздухом или через неплотности картерного пространства, а также вследствие образований нерастворимых продуктов окисления и износа деталей ЦПГ.
Загрязнение абразивными частицами (пылью) зависит от концентрации в масле кремния - основного элемента абразивных частиц. Как известно, абразивные частицы, попадая в двигатель, приводят к износу металлических частей двигателя. Известно, что с увеличением содержания в масле кремния, попадающего в масло с пылью, увеличивается концентрация железа (металлических частиц износа). Рассматривая износ различными частицами (металлическими и абразивными) нужно заметить, что наиболее сильный износ провоцируют отдельные частицы размером от 8 до 60 мкм, а самыми разрушительные из них являются частицы размером 18-30 мкм. Частицы разных размеров оказывают различное влияние на износ, также на износ существенно влияет концентрация частиц (Общество с ограниченной ответственностью «Химмотолог» [Электронный ресурс] / коллектив авторов ООО «Химмотолог» // Методы диагностики машин по анализу работающего масла (В помощь владельцу маслотестера) - Режим доступа: http://himmotolog.ru/?page_id=629, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.).
Исходя из вышеизложенного, следует, что попадание пыли внутрь двигателя и далее в масло приводит к изнашиванию узлов трения. Также со временем моторное масло просто стареет, поэтому регулярный анализ его качества во время работы позволит своевременно выявить неполадки, оценить ресурс масла, а также определить время его замены.
По стандарту ГОСТ 10541-78 содержание механических примесей в чистых моторных маслах должно быть не выше 0,015%. Предельным показателем содержания механических примесей в работающих маслах являются значения от 1 до 3% в зависимости от типа двигателя.
Чем больше срок эксплуатации масла, тем больше в нем механических примесей, в том числе взвешенных частиц металлической (продукты износа деталей ЦПГ) и угарной природы (нерастворимые продукты окисления). При этом частицы угарной природы распределены в слое масла равномерно, а частицы металлической природы как частицы с большей плотностью распределены в основном в нижних слоях масла в картере при выключенном двигателе.
Предлагаемое устройство позволяет проводить оценку того, что является ли загрязнение масла результатом износа деталей двигателя с образованием в масле металлических частиц или же оно носит характер старения масла с образованием в нем угарных частиц.
Принцип предлагаемого технического решения поясняется с помощью структурной схемы устройства для определения параметров дисперсных частиц, находящихся в масле картера двигателя, представленного на фиг.1.
Устройство содержит кювету с чистым маслом 1, картер двигателя, для которого определены максимальный 4 и минимальный 5 уровни масла, измерительный канал анализа угарных частиц, расположенный на высоте минимального уровня масла 5 в картере, измерительный канал анализа металлический частиц, расположенный внизу масляного поддона картера двигателя 3, лазер 13 в качестве источника зондирующего излучения; смотровые окна 6, светоделители (полупрозрачные зеркала) 12, световую ловушку 11, объективы 14, фотоприемники 15, 17, 18, датчик температуры 9, ультразвуковой излучатель канала анализа угарных частиц 7, ультразвуковой излучатель канала анализа металлических частиц 8, ультразвуковой излучатель эталонного канала 10, усилители 19, 20, 21, 23, аналого-цифровые преобразователи 24, 25, 26, 28, цифроаналоговый преобразователь 27, генератор ультразвуковых колебаний 22, коммутатор 16, электронно-вычислительную машину 29. Оптическая часть устройства помещена в корпус 30, защищенный от посторонней засветки и от попадания пыли и влаги.
n
Устройство работает следующим образом. Исследуемая дисперсная система 2 контактирует с зондирующим излучением с длинной волны λ, которое генерируется лазером 13 и с ультразвуковыми колебаниями, формируемыми излучателями ультразвуковых колебаний 7, 8, 10 соответственно в каналах анализа: угарных частиц, металлических частиц и в эталонном канале. Через светоделители 12 зондирующее излучение через смотровые окна 6 подводится к дисперсионной среде (сплошной фазе) 2. При прохождении этой волны через исследуемую дисперсную систему происходит рассеяние, отражение и поглощение излучения. Рассеянное и отраженное (под малыми углами относительно направления распространения) от дисперсных частиц 2 излучение проходит через смотровые окна 6 и попадает на светоделители 12, которые направляют его на объективы 14. Объективы 14 проецируют излучение непосредственно на фотоприемники 15, 17, 18 соответственно каналов угарных частиц, металлических частиц и эталонного. Далее аналоговый сигнал с фотоприемников усиливается в усилителях 19, 20, 23 и преобразуется к цифровому виду при помощи аналого-цифровых преобразователей 24, 25, 28 и поступает для дальнейшей обработки и регистрации на ЭВМ 29. Для учета изменения температуры масла в картере двигателя внутреннего сгорания введен датчик температуры 9, информация с которого через усилитель 21 и аналого-цифровой преобразователь 26 так же поступает в ЭВМ 29. ЭВМ координирует работу всех узлов системы, а именно: управляет процессом оцифровки сигнала с фотоприемников и датчика температуры, посредством аналого-цифровых преобразователей 24, 25, 26, 28; управляет работой ультразвукового генератора 22 через аналого-цифровой преобразователь 26 и коммутатор 16; обрабатывает и регистрирует результаты измерений. На ЭВМ, используя математическую модель оптимального взаимодействия ультразвуковых колебаний с дисперсными частицами, рассчитываются параметры воздействующих импульсов таким образом, чтобы колебания поверхности дисперсной частицы происходили по гармоническому закону с собственной частотой f. При этом учитывают температуру дисперсной системы и характерное время затухания колебаний дисперсных частиц за счет вязких сил.
Устройство функционирует в момент опроса датчиков и систем перед запуском двигателя при этом, во-первых, в зависимости от температуры масла выбирается частота ультразвуковых излучателей, во-вторых, попеременно проводится опрос двух каналов анализа: эталонный - металлические частицы и эталонный - угарные частицы, для выявления процентного содержания угарных и металлических частиц, в третьих, по амплитудам импульсов, возникающих в каналах анализа судят о размерах частиц, в четвертых, проводится контроль соотношений между усредненными сигналами эталонного канала и канала анализа металлических частиц и сигналами эталонного канала и канала анализа угарных частиц для определения интегрального показателя загрязненности моторного масла и сравнения их с существующими стандартами.
Таким образом, рассмотренное устройство, в отличие от известных, позволяет существенно повысить информативность данных для оценки концентрации взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в масле, и в частности дает возможность контролировать качество работы двигателя, оставшийся ресурс работы масла до его замены.