Тестер остаточного ресурса и способ тестового технического диагностирования кривошипно-шатунного механизма автомобильного ДВС
RESIDUAL LIFE TESTER AND METHOD FOR TEST TECHNICAL DIAGNOSIS OF CRANK MECHANISM OF AUTOMOBILE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Тестер остаточного ресурса (ТОР) кривошипно-шатунного механизма (КШМ) автомобильного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и реализуемый посредством него способ тестового технического диагностирования (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения, табл. 1, п. 11) КШМ согласно Международной патентной классификации МПК-2016.01 относятся к объектам, имеющим классификационные индексы F02B 1/00 «двигатели со сжатием горючей смеси» и F99Z «тематика, не предусмотренная в разделе F, (а) и в подклассах данного раздела, но наиболее тесно связанная с ним».
ДВС является неотъемлемым, сложным и дорогим агрегатом автомобиля. Ввиду напряженных условий работы ДВС непрерывно изнашивается, вследствие чего имеет постоянно снижающуюся надежность и ограниченный ресурс, которые восстанавливают проведением капитального ремонта (КР). Для оптимизации управления надежностью и минимизации эксплуатационных затрат важна своевременность КР: преждевременный КР приводит к неполному использованию ресурса, а запоздалый - к необратимому износу и таким повреждениям, которые зачастую требуют не ремонта, а полной замены узлов и деталей, а иногда и всего ДВС.
С этой целью в нормативно-технической документации (НТД) на ДВС указывается нормативное тестовое давление масла в системе смазки при нормативных тестовых частоте оборотов коленчатого вала (КВ) и температуре масла, а также рекомендуемый нормативный межремонтный ресурс ДВС (пробег до первого КР), который, однако, является усредненным и не учитывает индивидуальные особенности эксплуатации конкретных ДВС - температурно-нагрузочные режимы, характер местности, стиль вождения, качество дорог, горючего и смазочных материалов, количество и качество предыдущих (предшествующих диагностированию) КР и др., в связи с чем на практике по причине незнания значений фактического износа и остаточного ресурса имеют место такие негативные явления, как неполное использование ресурса ДВС из-за преждевременного КР, внезапные и часто весьма тяжелые поломки ДВС из-за просрочки КР, уменьшение показаний одометров владельцами автомобилей с целью продажи по завышенной цене на вторичном рынке, увеличение водителями автотранспортных предприятий показаний одометров и слив для личных нужд якобы израсходованного топлива и т.д. Этот перечень проблем не является исчерпывающим, но даже он показывает необходимость получения объективного технического диагноза и прогнозирования технического состояния ДВС.
Уровень техники
Износ ДВС - это износ его основных сопряженных трущихся поверхностей, который заключается в изменении размеров деталей вследствие отделения материала с поверхности трения и деформации поверхностного слоя и выражается в единицах длины, массы или объема (В.Б. Джерихов. Автомобильные эксплуатационные материалы. Ч. II. Масла и смазки. С-Пб. Изд-во ГАСУ, 2009, с. 17). Техническая задача определения фактического износа и прогнозирования остаточного ресурса ДВС до КР, таким образом, сводится к измерению размеров его сопряжений, т.е. размеров зазоров между трущимися поверхностями.
Очевидно, что безразборное (без разборки ДВС) определение размера зазоров возможно только путем измерения косвенных диагностических параметров.
Важнейшими являются сопряжения цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и КШМ, на износ которых приходится около 70÷80% износа всего ДВС, а на остальные сопряжения 20÷30%, т.е. износ ДВС в целом практически совпадает с износом ЦПГ и КШМ, которые можно рассматривать как индикаторы отказа (Бажинов А.В. Прогнозирование остаточного ресурса автомобильного двигателя. - Харьков, ХГАДТУ, 2001. - с. 8). В общем случае процессы изнашивания ЦПГ и КШМ развиваются неодинаково, поэтому для полной и точной оценки износа и остаточного ресурса ДВС нельзя ограничиваться чем-то одним, а необходимо диагностировать сопряжения как ЦПГ, так и КШМ.
Однако в настоящее время в практику технического диагностирования ДВС широко внедрены разнообразные способы безразборного диагностирования лишь сопряжений ЦПГ - путем измерения мощности и экономичности ДВС, расхода и качества масла, количества картерных газов, компрессии цилиндров, утечки воздуха из цилиндров, концентрации и дымности отработавших газов, эндоскопического осмотра деталей во внутренней полости цилиндров и др.
В то же время, техническое диагностирование сопряжений КШМ не внедряется в современную практику автосервиса даже ведущими мировыми производителями диагностической аппаратуры (http://www.bosch-kts.ru/motortestery.html; http://speckluch.ru/catalog/diagnosticheskoe-oborudovanie; http://www.launchrus.ru/; http://www.technorosst.ru/diagoborud/80/103?do=goods; http://www.autoscaners.ru/catalogue/?catalogue_id=17 и мн. др.), что обусловлено неоднозначностью и сложностью реализации способов диагностирования, разработанных за последние десятилетия.
Так, доказано, что ввиду тяжелых условий эксплуатации основными сопряжениями, определяющими долговечность КШМ, являются подшипники КВ (Брусянцев Н.В., Левин Д.М. Исследование износа двигателя ГАЗ-51. Автомобиль, 1949, №8, с. 4-6. Липгарт A.А., Струнников Н.Ф. Износ деталей кривошипно-шатунного механизма бензиновых двигателей. - В кн.: Исследование в области конструирования автомобиля. - М.: Машгиз, 1953. - с. 5-13. Филькенштейн Э.С. Изменение давления масла в двигателе в зависимости от зазора в подшипниках сб. тр. МАДИ. М.: 1975, с. 44-47. Дворецкий В.Н., Суворов О.М. Повышение доремонтного и послеремонтного ресурса основных агрегатов автомобилей семейства МАЗ-500А. - В кн.: Повышение надежности и увеличение ресурса автомобилей, агрегатов и деталей. - Л.: ЛИСИ, 1977, с. 32-40. Григорьев М.А., Пономарев Н.Н. Износ и долговечность автомобильных двигателей. - М.: Машиностроение, 1976. - 248 с. Говорущенко Н.Я., Туренко А.Н. Системотехника транспорта (на примере автомобильного транспорта). Часть 1. - Харьков: РИО ХГАДТУ, 1998. - 255 с. Болотин B.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с. и мн. др.), поэтому признано, что наиболее рациональным является способ технического диагностирования КШМ путем оценки его износа по увеличению зазора подшипников КВ (Бажинов А.В. Прогнозирование остаточного ресурса автомобильного двигателя. - Харьков, ХГАДТУ, 2001. - с. 69-71).
При этом размер зазора определяют по такому косвенному диагностическому параметру, как давление масла в системе смазки ДВС, для чего предварительно подключают к ДВС средства измерения давления (манометр) и температуры масла, а при необходимости и частоты оборотов КВ (при отсутствии штатного тахометра ДВС).
-1
-1
Чтобы минимизировать влияние на значение давления масла качества и изменяющихся в процессе эксплуатации вязкости масла, износа маслонасоса, работы редукционного клапана, проходимости масляных каналов и сопряжений газораспределительного механизма (ГРМ) промывают систему смазки, осуществляют замену масла, пускают и прогревают ДВС до тестовой температуры масла +60÷+85°С. Измерение давления масла осуществляют в течение 3÷5 с при тестовой частоте оборотов КВ бензинового ДВС 4500÷5000 мин и дизельного ДВС 3500÷4000 мин, после чего рассчитывают зазор подшипника КВ по экспериментально найденной зависимости:
где δ - зазор коренного или шатунного подшипника КВ, мм;
V - рабочий объем ДВС, л;
max
P - максимальное давление масла, равное 0,5 МПа для бензиновых и 0,68 МПа для дизельных ДВС;
Р - текущее давление масла, МПа;
м
t - текущая температура масла, °С
Затем путем линейной экстраполяции рассчитывают остаточный ресурс КШМ до достижения предельного значения величины зазора 0,20÷0,21 мм, т.е. до КР.
-1
Этот способ является прототипом ТОР, однако он не нашел широкого применения в силу неточности и ограничений: он опирается на исследования лишь некоторых ДВС V-образного типа отечественного производства, оснащенных системой непрерывной подачи масла к шатунным подшипникам КВ, а именно 8-цилиндрового бензинового с рабочим объемом 6 л и максимальным давлением масла 0,5 МПа и 6÷8-цилиндровых дизельных с рабочим объемом 10,86÷14,866 л и максимальным давлением масла 0,68 МПа; не учитывает многообразие конструкций, рабочих объемов и предельных размеров зазоров подшипников, максимальных и редуцированных (давление срабатывания редукционного клапана) давлений и нормативных тестовых значений частоты оборотов КВ, давления и температуры масла, вследствие чего технический диагноз (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения, табл. 1, п. 9) других ДВС часто оказывается ошибочным. Так, например, при техническом диагностировании КШМ 4-цилиндрового бензинового ДВС, код EW12J4 (3FZ), не подвергавшегося капитальному ремонту, с рабочим объемом 2,230 л и пробегом 413000 км автомобиля Peugeot-607 2001 г. выпуска с нормативным тестовым давлением масла 0,69 МПа при тестовых частоте оборотов 3000 мин и температуре масла +70°С (Autodata Ltd, UK, 2012, электронная версия, http://uk.autodata-group.com/) значение текущего давления масла оказалось 0,62 МПа, что уже само по себе означает неисправность и необходимость прекращения эксплуатации ДВС. Однако расчет по зависимости (1) показал недостоверный результат, размер зазора коренного или шатунного подшипника - минус 0,029 мм, что физически невозможно, а расчет износа и остаточного ресурса бессмыслен и является ошибочным техническим диагнозом. Кроме того, этот способ оценки износа КШМ не исследован на иностранных ДВС, ДВС с другими системами маслоподачи к шатунным подшипникам, не учитывает влияние предыдущих КР, а громоздкие расчеты осуществляют вручную.
Указанные проблемы решены при создании ТОР в результате учета особенностей большого числа КШМ автомобильных ДВС отечественного и иностранного производства. ТОР рассчитан на ДВС разнообразных конструкций, рабочих объемов и предельных размеров зазоров подшипников КВ, максимальных и редуцированных значений давления масла, нормативных тестовых значений давления и температуры масла и частоты оборотов КВ, числа предыдущих КР, а отображение информации и рутинные расчеты выполняются автоматически. Это позволяет быстро и с приемлемой точностью решить техническую задачу определения значений фактического износа и прогнозируемого остаточного ресурса КШМ, а получение неоднозначного и/или сомнительного результата использовать как признак необходимости дополнительного углубленного диагностирования деталей и узлов системы смазки ДВС.
ТОР не известен из уровня техники, для специалиста не следует из уровня техники явным образом, он доступен и прост в эксплуатации и может быть массово использован в отрасли автомобильного сервиса, в силу чего является новым, промышленно применимым изобретением, имеющим изобретательский уровень.
Раскрытие изобретения
ТОР является микропроцессорным цифровым диагностическим прибором и предназначен для быстрого и достоверного безразборного технического диагностирования КШМ автомобильного бензинового и дизельного ДВС рядного, V-образного и оппозитного типов отечественного и иностранного производства с числом цилиндров 2÷12, рабочим объемом 0,903÷22,3 л, оснащенного системой непрерывной или прерывистой подачи масла к шатунным подшипникам КВ с нормативным тестовым давлением масла 0,1÷0,7 МПа с учетом количества предыдущих КР, что полностью охватывает и область диагностирования, обеспеченную прототипом ТОР, а именно ДВС V-образного типа отечественного производства, оснащенных системой непрерывной подачи масла к шатунным подшипникам КВ, 8-цилиндровых бензиновых с рабочим объемом 6 л и максимальным давлением масла 0,5 МПа и 6÷8-цилиндровых дизельных с рабочим объемом 10,86÷14,866 л и максимальным давлением масла 0,68 МПа.
С помощью ТОР определяют размеры зазоров коренного и шатунного подшипников КВ в миллиметрах, значения фактического износа и прогнозируемого остаточного ресурса КШМ до очередного КР в тысячах километров пробега и процентах, а также качество последнего капитального ремонта ДВС (КШМ). Рутинные расчеты возложены на программное обеспечение (ПО) ТОР, а вся информация в удобном для пользователя графическом виде автоматически выводится на экран цифрового жидкокристаллического индикатора (ЖКИ).
Основу математической модели функционирования ТОР составляет закономерность, которая отражает связь давления масла в системе смазки ДВС с размером зазора подшипника КВ (Дьячков А.К. Расчет расхода смазки через подшипник. Вестник машиностроения. 1954, №2, шифр: В194806/1954/2, с. 12-19):
где Q - необходимое количество (поток) масла через подшипник КВ, л/мин;
d - диаметр шейки КВ, см;
Р - давление масла в системе смазки, кПа;
δ - зазор в подшипнике КВ, см;
l - ширина подшипника КВ, см;
2
μ - кинематическая вязкость масла, см/с.
Диаметр шейки, ширина подшипника КВ и кинематическая вязкость масла являются практически постоянными (Бажинов А.В. Прогнозирование остаточного ресурса автомобильного двигателя (на примере ЗИЛ-130); Дис. канд. техн. наук. - Харьков, 1983. - 181 с.). Изменение соотношения диаметра шейки к ширине подшипника КВ обусловливает пропорциональное изменение потока масла через подшипник. Установлено также, что рост зазора практически не приводит к увеличению потока масла через подшипник из-за одновременного снижения давления масла. На основании этого из (2) вытекает размер зазора как функция давления масла в системе смазки:
Чтобы в (3) численно связать размер зазора со значением давления масла в системе смазки, использованы закономерности, связывающие минимальный и предельный зазоры с максимальным и минимальным значениями давления в системе смазки соответственно.
0
При сборке ДВС в подшипниках КВ создается начальный зазор δ, размер которого обычно находится в пределах 0,03÷0,08 мм; при этом можно принять (Звеков А.Н. Тестер износа автомобильных ДВС. Дипломная работа ААЭ51.2106.3857.000. Под рук. д.т.н. проф. Бажинова А.В., ХНАДУ, Харьков, 2005):
ш0
к0
δ=0,05 мм; δ=0,06 мм,
ш0
где δ - средний начальный зазор шатунного подшипника;
к0
δ - средний начальный зазор коренного подшипника.
0
Начальный зазор δ при сборке ДВС стремятся сделать как можно меньше, но одновременно избежать сухого, граничного и полужидкостного скольжения подшипников и обеспечить жидкостной режим скольжения. Поэтому обязательно должно соблюдаться следующее требование (Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. издание - М.: Изд. «За рулем», 1998, ISBN 5-85907-085-3, с. 40. Под ред. М.И. Бирюкова. Ремонт двигателей автомобилей иностранных фирм. - М. Транспорт, 1998. - 460 с. К.Б. Пятков и др. Автомобили ВА3-2110, -2111, -2112. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. - М. «За рулем», 1999. - 224 с.):
ш min
к min
δ=0.02 мм; δ=0,023 мм
ш min
к min
где δ и δ - минимальные зазоры шатунного и коренного подшипников КВ.
Чтобы обеспечить необходимый поток масла через минимальный зазор, маслонасос должен развивать максимальное для данной системы смазки давление масла, но это давление должно быть не выше минимально необходимого. Более высокое давление нецелесообразно и опасно, и для того, чтобы оно не привело к пробою прокладок, выдавливанию уплотнителей, повреждению маслопроводов и шлангов, а также к механическому повреждению самого маслонасоса, даже при незначительном его повышении должен происходить сброс масла через редукционный клапан. Поэтому обязательным является соответствие:
min
ред
δ→P,
ред
где Р - редуцированное давление масла в системе смазки.
Предельным является зазор в конце периода нормальной эксплуатации ДВС перед очередным КР, когда в результате износа дальнейшее использование подшипников КВ невозможно. Размер предельного зазора в большой степени зависит от диаметра шейки КВ, а он, в свою очередь, от рабочего объема ДВС.
Если учесть, что диаметры шеек КВ подавляющего большинства автомобильных ДВС лежат в пределах 40÷117 мм, то с достаточной степенью точности можно считать, что значения предельных зазоров выражаются такими соотношениями (Звеков А.Н. Тестер износа автомобильных ДВС. Дипломная работа ААЭ51.2106.3857.000. Под рук. д.т.н. проф. Бажинова А.В., ХНАДУ, Харьков, 2005):
шП
кП
где δ, δ - предельные зазоры шатунного и коренного подшипников, мм;
a
a
ш
к
,  - коэффициенты шатунного и коренного подшипников;
V - рабочий объем ДВС, л;
ш
к
b, b - постоянная величина шатунного и коренного подшипников, мм.
a
а
ш
к
ш
к
Значения коэффициентов ,  и постоянных величин b, b распределяются по различным типам ДВС, как показано в таблице 1.
Предельному зазору подшипника соответствует нормативное тестовое давление масла при нормативных тестовых частоте оборотов КВ и температуре масла, а минимальному зазору, как правило, соответствует удвоенное значение нормативного тестового давления:
П
тест
δ→P;
min
тест
δ→2Р.
П
где δ - предельный зазор подшипника КВ;
min
δ - минимальный зазор подшипника КВ;
тест
Р - нормативное тестовое давление масла в системе смазки при нормативных тестовых частоте оборотов КВ и температуре масла.
тест
П
ред
min
тест
ред
П
min
0
В период нормальной эксплуатации ДВС все точки (Р; δ) текущих значений давлений масла в системе смазки Р и соответствующих им значений размера зазоров подшипников КВ δ, принадлежащие множеству, описываемому функцией (3), лежат в диапазоне, который имеет границы от {P; δ) до (Р; δ). Численные значения граничных давлений масла Р, Р и размеров зазоров δ, δ, текущего давления масла Р и характер функции (3) используют для определения размера зазора подшипника δ, исходя из которого, а также из значения начального зазора δ, определяют расчетные значения
пробега, износа и прогнозируемого остаточного ресурса КШМ, а также качество последнего КР.
В период нормальной эксплуатации интенсивность износа минимальна, а сам износ происходит равномерно (Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. издание - М.: Изд. «За рулем», 1998, ISBN 5-85907-085-3, с. 15), вследствие чего износ и прогнозируемый остаточный ресурс КШМ описываются такими линейными функциями (Звеков А.Н. Тестер износа автомобильных ДВС. Дипломная работа ААЭ51.2106.3857.000. Под рук. д.т.н. проф. Бажинова А.В., ХНАДУ, Харьков, 2005):
где М - расчетный пробег КШМ, км;
L - нормативный межремонтный ресурс ДВС, км;
p
k - коэффициент количества КР двигателя;
с
k - коэффициент качества сборки двигателя;
0
δ - начальный зазор подшипника КВ, мм;
П
δ - предельный зазор подшипника КВ, мм;
R - прогнозируемый остаточный ресурс КШМ, км.
%
Если нормативный межремонтный ресурс в километрах неизвестен, тогда принимают L=100% и определяют в процентах относительный расчетный износ I и относительный прогнозируемый остаточный ресурс R:
р
0
1
2
3
p>3
Коэффициент количества КР двигателя k, где р=0÷3 - количество капитальных ремонтов, имеет следующие значения: k=0,95; k=0,7; k=0,5; k=k = 0,3.
с
с
0
min
с
0
с
n
0
с
min
П
Коэффициент качества сборки двигателя k принимает следующие значения: k<1, если δ>δ>δ (качество КР высокое); k=1, если δ=δ (качество КР нормальное); k>1, если δ>δ>δ (качество КР низкое); k=∞, если δ>δ>δ (качество КР плохое).
Сущность ТОР как технического решения заключается в совокупности свойств его устройства и реализуемого им способа тестового технического диагностирования КШМ, что обеспечивает достижение технического результата.
Устройство ТОР конструктивно включает в себя: расчетный блок (РБ) 1 (фиг. 1), комплект датчиков 2, комплект адаптеров питания 3.
Функционально ТОР включает: средство управления и автоматического вычисления, которым является микроконтроллер (МК) 4 (фиг. 2) с прошитым в него ПО; средство графического отображения меню (фиг. 3), исходных, текущих и расчетных данных, которым является ЖКИ 5 (фиг. 1); средство ввода исходных данных ДВС, которым является клавиатура 6; систему питания, которая включает аккумуляторную батарею (АКБ) 7, стабилизатор напряжения 8, бортовой 9 и сетевой 10 адаптеры питания; электронные цифровые средства измерения, которые включают комплект датчиков 2 и соответствующие им элементы электрической схемы и ПО РБ 1: датчик давления масла (ДДМ) 11 и цепь порта МК РА0, датчик температуры масла (ДТМ) 12 и цепь порта МК РС0, датчик частоты оборотов КВ (ДЧО) 13, формирователь 14 и цепь порта МК PD3.
Исходные данные ДВС включают: тип ДВС, количество цилиндров и предыдущих КР, рабочий объем, максимальное, редуцированное и нормативные тестовые частота оборотов КВ, давление и температура масла. Текущие данные включают текущие частоту оборотов КВ, давление и температуру масла ДВС. Расчетные данные включают размеры зазоров коренного и шатунного подшипников КВ, фактический износ и прогнозируемый остаточный ресурс КШМ до очередного КР и оценку качества последнего КР.
РБ 1 состоит из МК 4, ЖКИ 5, клавиатуры 6, АКБ 7, стабилизатора 8 и формирователя 14.
Принцип функционирования ТОР состоит в том, что датчики ДДМ 11, ДТМ 12 и ДЧО 13 подключают к диагностируемому ДВС 15, клавиатурой 6 вводят в МК 4 исходные данные ДВС и запускают ДВС, из системы смазки которого поступает масло под текущим давлением Р в ДДМ 11, информация о температуре масла t° поступает в ДТМ 12, информация о частоте оборотов КВ n поступает в ДЧО 13 и далее в формирователь 14. Датчики ДДМ 11, ДТМ 12 и ДЧО 13 и формирователь 14 преобразуют полученную информацию в электрические сигналы, адаптированные для входных портов МК 4 РА0 (фиг. 2), РС0 и PD3 соответственно. ПО, прошитое в МК 4, автоматически обрабатывает исходные данные ДВС и поступившие электрические сигналы от датчиков и выводит на ЖКИ 5 (фиг. 1) сигналы в цифровом виде, где графически отображаются меню ТОР (фиг. 3), исходные данные ДВС, текущие и расчетные данные. Электрическое питание ТОР осуществляется от встроенной в РБ 1 АКБ 7 (фиг. 1), которая имеет возможность заряда от бортового 9 или сетевого 10 адаптеров питания.
МК 4 (фиг. 2) типа ATMega16 и прошитое в него ПО реализуют меню ТОР (фиг. 3), обеспечивают ввод исходных данных ДВС, обработку сигналов датчиков, преобразование их к цифровому виду и вывод на ЖКИ в виде текущих данных, автоматическое вычисление и вывод на ЖКИ расчетных данных.
Формирователь 14 (фиг. 4) через разъем X2F получает сигналы о частоте оборотов КВ от ДЧО 13 (фиг. 1), ограничивает всплески амплитуды и формирует прямоугольные импульсы необходимой амплитуды, которые поступают на входной порт PD3 МК 4 (фиг. 2). Оптопара DA1 типа АОТ127А (фиг. 4) осуществляет гальваническую развязку между ДВС и МК, что исключает наведение импульсных помех от ДВС на МК.
АКБ В1 7 (фиг. 5) состоит из шести аккумуляторов типа АА общим напряжением 7,2 В. При замыкании контакта выключателя питания SA1 16 (фиг. 6) батарея В1 осуществляет питание стабилизатора 8 (фиг. 7), который, в свою очередь, осуществляет питание схемы РБ постоянным стабилизированным напряжением +5 В.
Бортовой адаптер питания 9 (фиг. 8) при необходимости заряда АКБ В1 (фиг. 5) подключают к прикуривателю или аккумулятору автомобиля, в силу чего он получает от бортовой сети автомобиля постоянное напряжение +12…+15 В.
Сетевой адаптер питания 10 (фиг. 9) при необходимости заряда АКБ В1 (фиг. 5) подключают к электрической сети переменного тока 220 В, 50 Гц.
Аналоговый ДДМ 11 DA2 (фиг. 10) типа ММЗ 93А преобразует давление масла в постоянное напряжение, которое через разъем X5F поступает на входной порт РА0 МК 4 (фиг. 2).
Цифровой ДТМ 12 DD3 (фиг. 11) типа DS1820 преобразует температуру масла в цифровой код, который через разъем X3F поступает на входной порт РС0 МК 4 (фиг. 2).
ДЧО 13 (фиг. 12) для диагностирования бензинового ДВС представляет из себя два электрических коннектора (или зажимы типа «крокодил»), а ДЧО для диагностирования дизельного ДВС может представлять из себя вибродатчик, преобразующий в электрические сигналы пульсации топлива, поступающего на форсунку. ДЧО 12 через разъем X2F передает сигналы о частоте оборотов КВ на формирователь 14 (фиг. 4).
Посредством клавиатуры 6 (фиг. 13) управляют настройками и выбором режимов ТОР, а также вводят исходные данные ДВС. Сигналы кнопок SA2÷SA5 через шлейф и разъем X1F поступают на входные порты PB0-PB3 МК 4 (фиг. 2) соответственно.
ЖКИ 5 HG1 типа WH1604A (фиг. 14) 4-строчный, по 16 символов в каждой строке, через шлейф и разъем X7F получает информацию от выходных портов МК 4 PD0-PD2, PD4-PD7 (фиг. 2) и выводит ее на экран в графическом виде.
Схема индикаторов состояния (СИС) 17 (фиг. 15) сигнализирует о включенном состоянии ТОР и работе МК 4 (фиг. 2), о чем поступает информация с выходного порта РС1 МК.
Программатор PROGRAMMER 18 (фиг. 16) подключается к разъему X6F расчетного блока при программировании МК 4 (фиг. 2).
Способ тестового технического диагностирования КШМ, реализуемый посредством ТОР, включает совокупность простых ручных действий диагноста по подключению ТОР к ДВС, вводу исходных данных и пуску ДВС и быстродействующих автоматических операций ТОР по обработке сигналов электронными цифровыми средствами измерения, вычислению и графическому отображению текущих данных и расчетных данных о размерах зазоров коренного и шатунного подшипников КВ, значений пробега, износа и прогнозируемого остаточного ресурса КШМ до очередного КР, оценки качества последнего КР.
Непосредственно перед диагностированием КШМ осуществляют промывку системы смазки ДВС и замену в ней масла. ДДМ 11 (фиг. 1) соединяют с системой смазки ДВС 15 посредством масляного адаптера ДВС 19 (фиг. 17), вкрученного в блок цилиндров ДВС вместо штатного датчика давления масла, а также масляного адаптера ДДМ 20 (фиг. 18), накрученного на ДДМ 11 (фиг. 19), и маслостойкого дюрита 21. ДТМ 12 (фиг. 1) плотно прижимают и прикрепляют к поверхности магистрали системы смазки, например, к масляному фильтру. На бензиновом двигателе ДЧО 13 подключают к первичной обмотке катушки зажигания или к сигнальному контакту (на который поступает управляющий сигнал) форсунки; на дизельном ДВС - к сигнальному контакту форсунки или к магистрали подачи топлива в форсунку.
В ТОР посредством клавиатуры 6 (фиг. 1, 13), руководствуясь меню (фиг. 3), отображаемом на экране ЖКИ 5 (фиг. 1, 19), вводят следующие исходные данные диагностируемого ДВС: тип ДВС - рядный, V-образный или оппозитный; количество цилиндров; рабочий объем ДВС в литрах; тип маслоподачи к шатунным шейкам; единица давления; нормативные тестовые частота оборотов КВ, давление и температура масла, межремонтный ресурс в тысячах километров до первого КР и 100%; количество предыдущих КР. Если редуцированное давление масла неизвестно, его определяют, плавно повышая до максимального значения давление масла в системе смазки путем увеличения частоты оборотов КВ. Если нормативное тестовое давление масла неизвестно, в ТОР вводят тип топливной системы, при этом по умолчанию вводится 0,5 МПа для бензиновых и 0,68 МПа для дизельных ДВС, однако при этом значительно снижается точность расчетов.
ДВС запускают и контролируют автоматически отображаемые в графическом виде на ЖКИ текущие данные о частоте оборотов КВ, давлении и температуре масла ДВС. При достижении нормативной тестовой температуры масла доводят частоту оборотов КВ до нормативной тестовой частоты и стабильно удерживают ее в течение нескольких секунд, после чего в меню на экране ЖКИ выбирают режим «ТЕСТ» для ввода измеренного текущего значения давления масла, сохранения в памяти ТОР и последующей обработки ПО.
ПО ТОР по заданным формулам и алгоритму автоматически обрабатывает исходные данные ДВС и введенное значение текущего давления масла и выводит на экран ЖКИ расчетные размеры зазоров шатунных и коренных подшипников в миллиметрах; расчетные значения пробега в тысячах километров, износа в процентах и прогнозируемого остаточного ресурса КШМ в тысячах километров и процентах, на основании которых быстро и с достаточной достоверностью определяют технический диагноз КШМ, который включает в себя заключения: о техническом состоянии КШМ, о дефектном компоненте и дефекте (место, вид и причина дефекта), о прогнозируемом техническом состоянии. Технический диагноз КШМ в совокупности с техническим диагнозом ЦПГ дает основания для определения технического диагноза ДВС в целом и принятия решения на его дальнейшую эксплуатацию.
При необходимости на экран ЖКИ можно вывести значения начальных и предельных зазоров шатунного и коренного подшипников, а пробег, износ и прогнозируемый остаточный ресурс КШМ в целом. Диагностирование капитально отремонтированного ДВС по окончании периода его первоначальной приработки (обкатки) позволяет оценить не только пробег, износ и прогнозируемый остаточный ресурс, но и качество последнего КР КШМ, а значит, и ДВС в целом.
Если полученное значение пробега, износа или прогнозируемого остаточного ресурса значительно меньше или больше ожидаемого (по оценке ЦПГ, показаниям одометра, общему состоянию ДВС и/или по результатам предыдущего диагностирования КШМ), под подозрение подпадает не только КШМ, но также маслонасос, редукционный клапан и все масляные каналы системы смазки ДВС, и на этом основании их подвергают углубленному диагностированию.
Технический результат при использовании ТОР объективно проявляется в следующих технических эффектах и свойствах: высокое быстродействие, простота и приемлемая достоверность определения размеров зазоров, пробега, износа, прогнозируемого остаточного ресурса КШМ и оценки качества последнего КР автомобильных ДВС вышеуказанных типов с учетом количества предыдущих КР.
Достигнутый технический результат находится в прямой причинно-следственной связи с такими существенными признаками ТОР, как его устройство, математическая модель, принцип функционирования и способ тестового технического диагностирования.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. ТОР. Структурная схема: 1 - РБ; 2 - комплект датчиков; 3 - комплект адаптеров питания; 4 - МК; 5 - ЖКИ; 6 - клавиатура; 7 - АКБ; 8 - стабилизатор; 9 - бортовой адаптер питания; 10 - сетевой адаптер питания; 11 - ДДМ; 12 - ДТМ; 13 - ДЧО; 14 - формирователь; 15 - диагностируемый ДВС.
Фиг. 2. РБ. Схема электрическая принципиальная: 4 - микроконтроллер ATMega16.
Фиг. 3. ТОР. Меню.
Фиг. 4. РБ. Схема электрическая принципиальная: 14 - формирователь.
Фиг. 5. РБ. Схема электрическая принципиальная: 7 - АКБ.
Фиг. 6. РБ. Схема электрическая принципиальная: 16 - выключатель питания.
Фиг. 7. РБ. Схема электрическая принципиальная: 8 - стабилизатор +5 В.
Фиг. 8. ТОР. Схема электрическая принципиальная: 19 - бортовой адаптер питания.
Фиг. 9. ТОР. Схема электрическая принципиальная: 10 - сетевой адаптер питания.
Фиг. 10. ТОР. Схема электрическая принципиальная: 11 - ДДМ ММЗ 93А.
Фиг. 11. ТОР. Схема электрическая принципиальная: 12 - ДТМ DS1820.
Фиг. 12. ТОР. Схема электрическая принципиальная: 13 - ДЧО бензинового ДВС.
Фиг. 13. РБ. Схема электрическая принципиальная: 6 - клавиатура.
Фиг. 14. РБ. Схема электрическая принципиальная: 5 - ЖКИ WH1604A.
Фиг. 15. РБ. Схема электрическая принципиальная: 17 - СИС.
Фиг. 16. РБ. Схема электрическая принципиальная: 18 - схема подключения программатора.
Фиг. 17. ТОР. 19 - масляный адаптер ДВС.
Фиг. 18. ТОР. 20 - масляный адаптер ДДМ.
Фиг. 19. ТОР в сборе. Внешний вид: 1 - РБ; 5 - ЖКИ; 6 - клавиатура; 11 - ДДМ; 12 - ДТМ; 13 - ДЧО; 16 - выключатель питания; 17 - СИС; 19 - масляный адаптер ДВС; 20 - масляный адаптер ДДМ; 22 - заглушка.
Фиг. 20. РБ. Внутреннее размещение компонентов: 4 - МК; 5 - ЖКИ; 6 - клавиатура; 7 - АКБ; 8 - стабилизатор; 14 - формирователь; 16 - выключатель питания; 17 - СИС; 23 - главная плата; 24 - разъем X5F ДДМ; 25 - разъем X3F ДТМ; 26 - разъем X8F адаптера питания; 27 - разъем X6F программатора; 28 - разъем X7F ЖКИ; 29 - разъем X1F клавиатуры; 30 - разъем X2F ДЧО.
Фиг. 21. 22 - заглушка.
Осуществление изобретения
Достигнутый технический результат подтвержден экспериментальными данными, полученными при многократных испытаниях разработанной и созданной конструкции опытного образца ТОР в процессе практического диагностирования подшипников КШМ автомобильных рядных, V-образных и оппозитных бензиновых и дизельных ДВС отечественного и иностранного производства с числом цилиндров 2÷12, рабочим объемом 0,903÷22,3 л, оснащенных системой непрерывной или прерывистой подачи масла к шатунным подшипникам КВ с учетом количества КР с нормативным тестовым давлением масла 0,1÷0,7 МПа, в число которых входят также ДВС, охватываемые прототипом ТОР, а именно автомобильные ДВС V-образного типа отечественного производства, оснащенные системой непрерывной подачи масла к шатунным подшипникам КВ, 8-цилиндровые бензиновые с рабочим объемом 6 л и максимальным давлением масла 0,5 МПа и 6÷8-цилиндровые дизельные с рабочим объемом 10,86÷14,866 л и максимальным давлением масла 0,68 МПа.
РБ 1 (фиг. 19) выполнен в пластиковом корпусе с размерами 180×100×50 мм. На лицевой панели корпуса расположены ЖКИ 5, клавиатура 6, светодиоды СИС 17, кнопка выключателя питания 16. Датчики ДДМ 11, ДТМ 12 и ДЧО 13 подключаются к соответствующим разъемам РБ 1.
Компоненты электрической схемы ТОР размещены внутри корпуса на главной плате 23 (фиг. 20), плате клавиатуры 6, ЖКИ 5 и в кассете АКБ 7. На главной плате 23 расположены МК 4, формирователь 14, стабилизатор 8, часть компонентов СИС 17, разъем X3F 24 (фиг. 20) для подключения ДТМ 12 (фиг. 19), разъем X5F 25 для подключения ДДМ 11 (фиг. 19), разъем X8F 26 (фиг. 20) для подключения бортового или сетевого адаптера питания, разъем X6F 27 для подключения программатора 18 (фиг. 16), разъем X7F 28 (фиг. 20) ЖКИ 5, разъем X1F 29 клавиатуры 6. На нижней торцевой стенке корпуса расположен разъем X2F 30 для подключения ДЧО 13 (фиг. 19).
В целях точного подключения и во избежание перепутывания все разъемы, имеющие внешний выход, имеют отличную друг от друга конструкцию.
ДДМ 11 подключают к системе смазки ДВС посредством масляных адаптеров 19 (фиг. 17) и 20 (фиг. 18, 19), а также маслостойкого дюрита 21 (фиг. 19) с внутренним диаметром 8 мм. По окончании диагностирования ДВС масляный адаптер 19 (фиг. 17) выкручивают из блока цилиндров ДВС, сливают масло из дюрита 21 (фиг. 19) и ДДМ 11 и во избежание попадания посторонних предметов в масляный тракт закрывают дюрит 21 стальной заглушкой 22 (фиг. 19, 21). Масляные адаптеры изготовлены из стального (сталь марки 45) шестигранного профиля 17 мм с длиной штуцеров 20 мм и резьбой, соответствующей резьбе ДДМ 11 и наиболее распространенным датчикам давления масла ДВС. Если масляный адаптер ДВС 19 (фиг. 17) имеет резьбу, отличную от резьбы датчика давления масла диагностируемого ДВС, дополнительно изготовляют масляный адаптер с соответствующей резьбой.
Полученные многочисленные экспериментальные данные подтвердили соответствие технического результата заявленному назначению изобретения: ТОР обеспечивает быстродействие, простоту пользования и достаточно достоверное определение размеров зазоров подшипников КВ, расчетных значений пробега, износа и прогнозируемого остаточного ресурса КШМ, оценки качества последнего КР с учетом многообразия конструкций современных автомобильных ДВС отечественного и иностранного производства, что является важным условием оптимизации управления надежностью автомобильных ДВС и минимизации затрат, связанных с их капитальными ремонтами.