КОМПРЕССОГРАФ И СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПРЕССОГРАФИИ
COMPRESSOGRAPH AND DYNAMIC COMPRESSOGRAPH METHOD

Компрессограф и реализуемый посредством него способ динамической компрессографии (ДК) цилиндров автомобильного бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) согласно Международной патентной классификации МПК (2016.01) относятся к объектам, имеющими классификационные индексы F02F 11/00 «двигатели, характеризуемые сжатием горючей смеси», и F99Z «тематика, не предусмотренная в разделе F, (а) и в подклассах данного раздела, но наиболее тесно связанная с ним».
Конец такта сжатия в цилиндре ДВС характеризуется нахождением поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и максимальным давлением топливовоздушной смеси (ТВС), от величины которого в значительной степени зависит температура, гомогенность и качество горения ТВС, а также давление расширяющихся газов (РГ) на такте расширения (рабочего хода), что в конечном итоге обусловливает такие важнейшие характеристики ДВС, как крутящий момент, мощность, токсичность отработавших газов (ОГ), расход топлива.
Давление ТВС определяется степенью сжатия и герметичностью цилиндра, которая в свою очередь зависит от целостности деталей блока цилиндров (БЦ), головки блока цилиндров (ГБЦ), цилиндро-поршневой группы, газораспределительного механизма и плотности прилегания их состыкованных и сопряженных поверхностей. Определяющими являются стыки: ГБЦ - прокладка ГБЦ - БЦ; ГБЦ - свеча зажигания; гнездо ГБЦ - седло клапана, а также сопряжения: канавка поршня - кольцо; кольцо - стенка цилиндра; фаска тарелки клапана - седло клапана.
Из-за непрерывного износа деталей в процессе эксплуатации ДВС герметичность цилиндра снижается постепенно, но также может лавинообразно упасть из-за прогара, трещины, скола, деформации. Это вызывает прорывы ТВС и РГ в незапланированных местах, ускоренный износ и обгорание фасок клапанов, нарушение съема кольцами масла, что приводит к ухудшению смазочных свойств масла и уменьшению ресурса ДВС, нарушению концентрации ОГ, снижению крутящего момента и мощности или полному выключению цилиндра из работы.
Поскольку причинами снижения мощности ДВС и нарушения концентрации ОГ могут быть также дефекты систем зажигания и впрыска бензина, то для локализации дефекта актуальной задачей является эффективность (достоверность и скорость) диагностики цилиндров, для чего в качестве одного из индикаторов их технического состояния выбирают компрессию цилиндров, т.е., максимальное давление воздуха, созданное в измерителе компрессии множеством последовательных тактов сжатия цилиндра при прокрутке коленчатого вала (KB) ДВС стартером.
Уровень техники
Аналогами компрессографа являются некоторые измерители компрессии, такие, как мотор-тестер МТ10КМ (http://www.nppnts.ru/index.php?mod=mtmt10km), имеющий функцию компрессографа. Однако в действительности эта функция индицирует осциллограмму не компрессии и динамики ее нарастания, а текущего давления в цилиндре. Поэтому для определения компрессии цилиндров в современной практике диагностирования ДВС продолжают широко применяться устаревшие традиционные аналоги: механические компрессометры (https://auto.ru/parts/?categoryId=29894&from=wizard.parts&rgid=11469&shipping=All&utm_campaign=parts&utm_medium=desktop&utm_source=parts_wizard&utm_term=компресссометр%20купить; https://market.yandex.ru/ search ?text=компрессометр%20купить&clid=545&local-offers-first=0&deliveryincluded=0&onstock=0; http://www.avtoall.ru/kompressometry/; https://hz.ru.aliexpress.com/premium/%25D0%25B4%25D0%25B0%25D0%25B2%25D0%25BB%25D0%25B5%25D0%25BD%25D0%25B8%25D0%25B5-%25D0%25B2-%25D1%2586%25D0%25B8%25D0%25BB%25D0%25B8%25D0%25BD%25D0%25B4%25Dl%2580%2D0%25B5.html?SearchText=давление+в+цилиндре<ype=wholesale&d=y&tc=ppc&blanktest=0&initiative_id=SB_20171015013758&origin=y&catId=0&isViewCP=y и мн. др.), а также более современные электронные компресссометры типа VAG 1763 (https://www.autom.com.ua/ru/oborudovaniesto/avtodiagnostika/kompressometry/vag_1763/; https://www.youtube.com/watch?v=lq58bj2jEeY) и LR KPD-01 (http://automaler.ru/shop/cargo/equipment/diagnostic-equipment/diagnostic-devices-means-of-small-diagnostics/kpd-01-pressure-tester-universal/; https://www.youtube.com/watch?v=UUUq5ohP5Mc).
Невзирая на то, что электронные компрессометры более совершенны, наделены рядом сервисных функций, таких как цифровая визуализация значений компрессии и сравнительная в виде столбцов, привязка значений компрессии к «своему» цилиндру, распечатка чека посредством встроенного принтера, они имеют то же предназначение, что механические аналоги - измерение компрессии.
-1
Вместе с тем, для достоверной диагностики цилиндра важно не только определить его компрессию, но и оценивать динамику нарастания компрессии, для чего необходимо регистрировать давление в цилиндре на каждом такте сжатия. Так, если на первом такте сжатия величина давления низкая (0,3÷0,4 МПа), а при последующих тактах сжатия резко возрастает, то это свидетельствует об износе поршневых колец, но если на первом тактесжатия достигается умеренное давление (~0,7÷0,9 МПа), а при последующих тактах сжатия это значение практически не растет, то это косвенно свидетельствует о наличии утечек из-за дефектов клапанов, прокладки, трещины в ГБЦ и т.п.(Хрулёв А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производств.-практ.издание. М., изд-во «За рулем», 1998, с. 149; https://www.drive2.ru/b/2860347/; https://autodiagnos.com.ua/proverka-kompressii-dvigatelya/). Однако аналоги не обладают свойством регистрации давления на каждом такте сжатия, что значительно снижает эффективность диагностики. В некоторой степени удается визуально фиксировать значение давления на каждом такте сжатия, но со значительными погрешностями, так как для измерения требуется скорость вращения KB около 2 с, следовательно, диагност для фиксации располагает недостаточным временем - менее 1 с.
Функцию запоминания на каждом такте сжатия имеют некоторые мотор-тестеры и осциллографы с токоизмерительными клещами, измеряющие амплитуду пульсаций тока, потребляемого стартером при прокрутке KB, однако при этом абсолютная величина давления не определяется, а относительные значения давления (в процентах к лучшему цилиндру) могут быть неоднозначно истолкованы и тем самым ввести диагноста в заблуждение (Хрулёв А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производств.-практ.издание. М, изд-во «За рулем», 1998, с. 149; http://www.ardio.ru/relkompr.php).
Неотъемлемой частью любого компрессометра 1 (фиг. 1) является воздушный накопитель (ВН) 2 (фиг. 1, 2), который включает накопительную полость (НП) 3 (фиг. 2), резиновый обратный клапан (ОК) 4 с пружиной 5, предназначенный для удержания давления в НП, и клапан сброса (КС) 6 с кнопкой 7. Вместе с тем, наличие ВН обусловливает еще один существенный недостаток аналогов, который заключается в том, что они фиксируют значение давления не в ВМТ, а позже на 30÷60° угла поворота коленчатого вала (УПКВ), так как ОК обладает собственной инерционностью, склонностью к деформациям и перекосам, а также свойствами дросселя, что увеличивает инерционность и временную неоднозначность перетока воздуха 8 между накопителем и надпоршневым пространством 9 цилиндра 10 и замедляет рост закрывающего ОК результирующего давления:
ок
где Р - давление, действующее на ОК;
вн
Р - давление в ВН;
ц
Р - давление в надпоршневом пространстве цилиндра;
си
F - сила, обусловливающая собственную инерционность, деформации и перекосы ОК.
ип
ц
ок
си
си
Практическая осциллограмма, полученная посредством опытного образца компрессографа (компрессограмма) на реальном ДВС (фиг. 3), демонстрирует действительный характер динамического нарастания компрессии. Сравнивая с нею показания аналогов, основанные на зафиксированных давлениях, нетрудно сделать вывод, что вследствие запаздывания закрытия ОК аналоги неадекватно отражают как компрессию, так и процесс ее динамического нарастания. Так, аналогами фиксируются давления 11 (фиг. 3) ниже действительных давлений в ВМТ 12 на 30% и более. На последних тактах сжатия 13, при достижении давления в цилиндре, близкого к компрессии 14, значения Р и Р сближаются, и тогда возрастает зависимость Р от F. В силу нестабильности F момент закрытия ОК, а следовательно, и зафиксированное давление на каждом последующем такте 15 существенно (~10%) отличается от предыдущего такта 16, что ставит конечное полученное значение компрессии в зависимость от того, на каком такте сжатия прервано измерение и приводит таким образом к постановке ошибочного технического диагноза цилиндра. При оценке разброса компрессии цилиндров эта ошибка может удвоиться и привести к необоснованному диагнозу о дефекте ДВС и необходимости его капитального ремонта (КР), так как нормативный разброс обычно составляет 10÷15%.
Таким образом, неприемлемые погрешности существующих аналогов не позволяют с необходимым качеством решить техническую задачу диагностики цилиндров методом измерения компрессии вообще и оценки динамики ее нарастания в частности.
Указанные проблемы решены при создании компрессографа, который позволяет быстро и с достаточной точностью решить поставленную техническую задачу. Компрессограф и реализуемый посредством него способ ДК построены на том же принципе измерения, что и аналоги, но лишены их недостатков, позволяют определить абсолютное значение как компрессии, так и динамики ее нарастания, что значительно увеличивает эффективность диагностики цилиндра. Компрессограф доступен и прост в эксплуатации и может быть массово использован в отрасли автомобильного сервиса. Компрессограф не известен из уровня техники, он для специалиста не следует из уровня техники явным образом, в силу чего является новым, промышленно применимым изобретением, имеющим изобретательский уровень.
Раскрытие изобретения
Сущность компрессографа как технического решения заключается в совокупности свойств его устройства и реализуемого им способа ДК цилиндра ДВС, что обеспечивает достижение технического результата. Новые свойства получены в результате объединения возможностей компрессометра и мотор-тестера или записывающего осциллографа, а именно в применении ВН совместно с электронным датчиком давления (ЭДД).
Устройство компрессографа включает в себя ЭДД 17 (фиг. 4), ВН 2 с внешним быстросъемным соединителем (БС) 18, шланг высокого давления (ШВД) 19 с внутренним БС 20 и резьбовым адаптером (РА) 21, стабилизатор напряжения (СН) 22, коммутационный кабель (КК) 23 и цифровой осциллограф (ЦО) 24.
ЭДД 17 является средством измерения давления; он выдает выходной сигнал о давлении воздуха в цилиндре в виде постоянного напряжения на один из входов 25 ЦО 24.
ВН 2 применен такой же, как и в компрессометрах; его ОК пропускает воздух под давлением только в одном направлении - из надпоршневого пространства 9 цилиндра 10 в накопительную полость. Стравливание давления происходит при нажатой кнопке КС 7.
БС 18 и 20 соединяют ЭДД 17 с ШВД 19.
РА 21 соединяет ШВД 19 со свечным отверстием диагностируемого цилиндра.
СН 22 обеспечивает питание ЭДД 17 стабилизированным напряжением постоянного тока +5 В.
КК 23 обеспечивает подачу бортового питания автомобиля +12÷+15 В на СН 22 при подключении зажимов питания 26 и 27 типа «крокодил» к аккумуляторной батарее 28 (АКБ) автомобиля и через электрический разъем (ЭР) 29 и сигнальный зажим 30 коммутирует выход ЭДД 17 со входом ЦО 24.
ЦО 24 является средством визуализации выходного сигнала ЭДД 17, его автоматического запоминания (хранения) и воспроизведения (вывода) в виде осциллограммы (компрессограммы). Если он не оборудован собственным дисплеем, он выполняет свои функции в комплексе с персональным компьютером (ПК) 31; случае средством запоминания и воспроизведения осциллограммы является ПК 31, а средством визуализации является монитор 32.
Способ ДК заключается в следующем. КК 23 посредством ЭР 29 и зажимов 26, 27, 30 соединяют соответственно с ЭДД 17, клеммами бортового питания автомобиля «+» и «-» и входом 25 ЦО 24. ДВС прогревают и выкручивают свечи зажигания. В свечное отверстие 1-го цилиндра плотно вкручивают РА 21 и соединяют между собой БС 18 и 20. Включают запись осциллограммы. Нажимают педаль акселератора до упора и, наблюдая за дисплеем ЦО 24 или монитором 32 ПК 31, стартером вращают КВ ДВС до полного накопления воздуха в ВН, что контролируют по прекращению роста пиков давления в ВМТ тактов сжатия; как правило, для этого достаточно 10-ти тактов сжатия. При этом осуществляется визуализация и автоматическое запоминание осциллограммы давления в цилиндре. Выключают зажигание ДВС и запись осциллограммы, сохраняют файл записи. Нажатием на кнопку СК 7, стравливают давление и рассоединяют БС 18 и 20. Выкручивают РА 21 из свечного разъема 1-го цилиндра.
Повторяют те же операции для 2-го и последующих цилиндров ДВС.
На дисплее ЦО 24 или мониторе 32 воспроизводят осциллограммы и рассчитывают давление в /-м цилиндре на 1-м такте сжатия в ВМТ 33 (фиг. 5):
1i
где P - давление в i-м цилиндре на 1-м такте сжатия;
1i
U - пиковое значение выходного напряжение 33 в i-м цилиндре на 1-м такте сжатия;
а, b - коэффициенты, значение которых зависит от характеристики U=ƒ(P) конкретной модели ЭДД;
Рассчитывают компрессию i-го цилиндра:
i
где K - компрессия i-го цилиндра, бар;
imax
U - максимальное пиковое напряжение 34 i-го цилиндра.
Определяют границу 35 допустимого снижения значения компрессии i-го цилиндра вследствие разброса срабатывания ОК:
ri
Определяют порядковый номер пика i-го цилиндра, который первым (слева направо) достиг значения К (36).
Осуществляют аналогичные расчеты для остальных цилиндров.
1i
1i
Анализируют динамику нарастания компрессии по значениям, полученным из (2), путем сравнения значений давления на одноименных тактах сжатия в разных цилиндрах между собой и с нормативными значениями, предусмотренными нормативно-технической документацией на ДВС. Если P ≤ 3÷4 бар, а при последующих тактах резко возрастает, то имеет место износ поршневых колец; если P=7÷9 бар, а при последующих тактах давление практически не растет, то имеют место утечки в клапанах, прокладке ГБЦ или трещина ГБЦ.
ri
Скорость нарастания компрессии считается удовлетворительной, если значение Кпервым достиг 4÷5-й пик, при этом разброс порядковых номеров таких пиков между цилиндрами составляет не более 1.
Анализируют компрессию цилиндров путем сравнения полученных из (3) значений между собой, исходя из допустимого разброса 10% между наименьшим и наибольшим значениями, а также с нормативным значением.
По результатам анализа с высокой степенью достоверности определяют технический диагноз цилиндров и локализуют дефекты.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Компрессометр. 1 - компрессометр; 2 - накопитель; 8 - воздух; 9 - надпоршневое пространство; 10 - цилиндр.
Фиг. 2 Воздушный накопитель. 2 - ВН; 3 - НП; 4 - ОК; 5 - пружина ОК; 6 - КС; 7 - кнопка КС; 8 - воздух; 9 - надпоршневое пространство; 10 - цилиндр.
Фиг. 3. Практическая осциллограмма давления в цилиндре (компрессограмма). 11 - зафиксированное давление; 12 - давление в ВМТ; 13 - последние такты сжатия; 14 - компрессия; 15 - последующий такт сжатия; 16 - предыдущий такт сжатия.
Фиг. 4. Компрессограф. Схема функциональная. 2 - ВН; 9 - НП; 10 - цилиндр; 17 - ЭДД; 18 - внешний БС; 19 - ШВД; 20 - внутренний БС; 21 - РА; 22 - СН; 23 - КК; 24 -ЦО; 25 - вход ЦО; 26, 27 - зажимы питания; 28 - АКБ; 29 - ЭР; 30 - сигнальный зажим; 31 - ПК; 32 - монитор ПК.
Фиг. 5. Компрессограф. Практическая конструкция. 2 - ВН; 17 - ЭДД; 18 - внешний БС; 19 - ШВД; 20 - внутренний БС; 21 - РА; 22 - СН; 23 - КК; 26, 27 - зажимы питания; 29 - ЭР; 30 - сигнальный зажим.
Фиг. 6. Практическое применение компрессографа. 2 - ВН; 17 - ЭДД; 18 - внешний БС; 19 - ШВД; 20 - внутренний БС; 22 - СН; 23 - КК; 24 - ЦО; 25 - вход ЦО; 26, 27 - зажимы питания; 28 - АКБ; 29 - ЭР; 30 - сигнальный зажим; 32 - монитор ПК.
Фиг. 7. Практическая компрессограмма 1-го цилиндра. 33 - давление на 1-м такте сжатия в ВМТ; 34 - максимальное пиковое напряжение; 35 - граница допустимого
снижения значения компрессии; 36 - порядковый номер пика, который первым достиг допустимого значения.
Фиг. 8. Практическая компрессограмма 2-го цилиндра. 33 - давление на 1-м такте сжатия в ВМТ; 34 - максимальное пиковое напряжение; 35 - граница допустимого снижения значения компрессии; 36 - порядковый номер пика, который первым достиг допустимого значения.
Фиг. 9. Практическая компрессограмма 3-го цилиндра. 33 - давление на 1-м такте сжатия в ВМТ; 34 - максимальное пиковое напряжение; 35 - граница допустимого снижения значения компрессии; 36 - порядковый номер пика, который первым достиг допустимого значения.
Фиг. 10. Практическая компрессограмма 4-го цилиндра. 33 - давление на 1-м такте сжатия в ВМТ; 34 - максимальное пиковое напряжение; 35 - граница допустимого снижения значения компрессии; 36 - порядковый номер пика, который первым достиг допустимого значения.
Осуществление изобретения
Достигнутый технический результат подтвержден экспериментальными данными, полученными при испытаниях разработанной и созданной практической конструкции опытного образца компрессографа.
Компрессограф включает в себя ЭДД 17 (фиг. 5, 6), ВН 2 с ОК и КС, внешним БС 18 и ЭР 27, ШВД 19 с внутренним БС 20 и РА 21, СН 22, КК 23 с зажимами питания 26, 27 и сигнальным зажимом 30, ЦО 24, ПК с монитором 32.
ЭДД 17 типа МАНА Universal 300 PSI модель А4 имеет линейную характеристику U=ƒ(P); рассчитан на давление в пределах Р=0÷20,685 бар (0÷300 psi) и выдает сигнал о давлении в виде постоянного напряжения в пределах U=+(0,5÷4,5) В с погрешностью ±1% и значениями коэффициентов в формулах (2) и (3):
СН 22 типа LM7805 расположен внутри изолирующего слоя КК 23 и обеспечивает питание ЭДД 17 стабилизированным напряжением постоянного тока +5 В.
ЦО 24 типа USB Autoscope III не имеет собственного дисплея, и визуализация его сигналов осуществляется на мониторе 32.
Пример практической диагностики цилиндров инжекторного 4-цилиндрового ДВС типа Toyota 5A-FE рабочим объемом 1,5 л (фиг. 6). Реализован изложенный выше способ ДК, в результате чего получены осциллограммы давления во всех цилиндрах (фиг. 7-10).
Согласно (2) - (5) произведены расчеты и получены следующие данные (таблица 1):
В результате анализа полученных данных установлено, что компрессия и динамика ее нарастания в каждом цилиндре находятся в пределах допусков; вместе с тем во 2-м цилиндре имеет место сравнительно низкое давление на 1-м такте сжатия в ВМТ и сравнительно низкая динамика нарастания компрессии - граница достигнута лишь на 5-м пике; в 4-м цилиндре имеет место сравнительно низкая компрессия. Исходя из этого, определен следующий технический диагноз: все цилиндры работоспособны; с целью контроля технического состояния 2-го и 4-го цилиндров и выявления тенденций его изменения рекомендовано подвергнуть ДВС внеплановой динамической компрессографии после половины пробега до очередного технического обслуживания.