СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СТЕПЕНИ ЗАСОРЕННОСТИ МАСЛОПРИЕМНИКА СИСТЕМЫ СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD TO DIAGNOSE CLOGGING OF ICE LUBRICATION SYSTEM OIL HEADER

Изобретение относится к области эксплуатации машин и может быть использовано при диагностировании двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен ряд способов оценки степени засоренности фильтроэлементов.
Известны способы определения степени засоренности фильтроэлементов по перепаду давления, степени загрязненности фильтрата, количеству отфильтрованной жидкости [Коваленко В.П., Ильинский А.А. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. - М.: Химия, 1982].
Эти способы трудоемки, требуют отбора проб фильтрата и его анализа, что экологически не безопасно, требуют снятия фильтроэлемента и не применимы непосредственно на двигателе.
Известен способ определения степени засоренности фильтроэлементов, заключающийся в периодическом отборе проб фильтрата в определенном интервале давлений, их анализе и установлении предельно допустимого перепада давления по степени загрязненности фильтрата [Рыбаков К.В., Дмитриев Ю.И., Поляков А.С. Авиационные фильтры для топлив, масел, гидравлических жидкостей и воздуха. - М.: Машиностроение, 1982.].
Недостатком способа является его большая трудоемкость, невозможность применения непосредственно на двигателе, требуется обязательное снятие фильтроэлемента с двигателя.
По способу - авт. св. SU 896466 А1, опубл. 07.01.1982, измеряют собственные частоты колебаний фильтров и определяют их относительные изменения. С увеличением степени засоренности фильтроэлементов их собственная частота колебаний уменьшается, что является чувствительным признаком степени их засоренности.
Данный способ трудоемок, требует установки внешних устройств, что увеличивает фактические объемы системы смазки, требует применения специфической сложной, дорогостоящей измерительной аппаратуры, существенную сложность представляют анализ и обработка полученных данных измерений.
Принятый в качестве прототипа способ определения ресурса работы фильтроэлементов по патенту RU 2035967 С1, опубл. 27.05.1995 заключается в определении величины перепада давления на фильтроэлементе. Отличающийся тем, что с целью повышения экологической и технической безопасности и снижения трудоемкости испытания фильтроэлементов при увеличении перепада давления на фильтре на заданную величину, периодически мгновенно перекрывают сечение напорного трубопровода после фильтра, создавая гидравлический удар, измеряют величину перепада давления на фильтроэлементе, определяют ее знак и по изменению судят о степени загрязнения фильтроэлемента. При этом степень загрязнения фильтроэлемента считают достигшей максимального значения, а фильтроэлемент - выработавшим свой ресурс с момента неизменности знака величины перепада давления при гидроударе.
Недостатком способа является необходимость снятия фильтроэлемента с двигателя, дороговизна измерительной аппаратуры, невозможность определения технического состояния фильтроэлемента на двигателе.
В результате проведенного поиска авторами не выявлены способы диагностики степени засоренности маслоприемника системы смазки двигателя внутреннего сгорания без разборки двигателя. Применение заявляемого способа позволяет определять действительное техническое состояние маслоприемника в любой момент эксплуатации.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критериям и новизна, и изобретательский уровень.
Целью изобретения является определение действительной степени засоренности маслоприемника без разборки двигателя и повышение точности оценки технического состояния двигателя.
Эта цель достигается тем, что в предлагаемом способе диагностики степени засоренности маслоприемника системы смазки ДВС, в отличие от прототипа, диагностику степени загрязненности проводят без разборки двигателя. При этом предусматривается измерение динамики роста мгновенного давления в центральной масляной магистрали при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя от минимальной до максимально возможной. При этом получают зависимость мгновенной величины давления от частоты вращения коленчатого вала двигателя. По полученной зависимости находят частоту вращения коленчатого вала двигателя, соответствующую максимальной величине мгновенного давления. Сравнивают полученную частоту вращения коленчатого вала двигателя, соответствующую максимальной величине мгновенного давления, с эталонной, полученной для технически исправного двигателя. Определяют путем их сравнения степень засорения маслоприемника системы смазки ДВС. Чем меньше величина частоты вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной величине мгновенного давления, тем больше степень засорения маслоприемника.
На Фиг.1 представлена функциональная схема системы смазки двигателя;
на Фиг.2 - расчетная схема насоса с маслоприемником;
на Фиг.3 - зависимость расхода масла через маслоприемник от коэффициента сопротивления сетки маслоприемника;
на Фиг.4 - зависимость давления масла в центральной масляной магистрали от частоты вращения шестерен масляного насоса для различных значений коэффициентов сопротивления сетки маслоприемника в момент выравнивания подачи масла насосом и расхода через подшипники КШМ;
на Фиг.5 - зависимость мгновенной величины давления от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Нагнетательный насос 1 (Фиг.1) через маслоприемник 3 забирает масло из маслосборника 2 и направляет его через фильтр 4 к подшипникам двигателя 6, откуда оно стекает в маслосборник. Тензометрический датчик давления и измерительный комплекс MIC-400, обозначенные позицией 5, измеряют мгновенное давление масла.
Для определения влияния технического состояния маслоприемника на параметры давления в центральной масляной магистрали рассмотрим расчетную схему насоса с маслоприемником - Фиг 2.
атм
всн
На расчетной схеме насоса с маслоприемником (Фиг.2) имеются обозначения: Н - высота подъема масла насосом, м; N - уровень масла в поддоне картера, м; d - диаметр приемного патрубка, м; D - эквивалентный диаметр входного отверстия сетки маслоприемника, м; Р - атмосферное давление на уровне залитого масла, МПа; Р - давление всасывания насоса, МПа.
3
Для сечений 0-0 и 1-1 на расчетной схеме насоса с маслоприемником (Фиг.2) было составлено уравнение Бернулли, в результате преобразования которого получили расход масла через маслоприемник Q, м/с:
ВАВ
2
где H - вакуумметрическая высота, м; Н - высота всасывания, м; g - ускорение свободного падения, м/с; S - площадь сечения приемного патрубка маслоприемника, м; λ - коэффициент Дарси для приемного патрубка, l - длина приемного патрубка, м; d - диаметр приемного патрубка, м; ε - коэффициент сопротивления сетки маслоприемника.
2
2
-4
3
Подставляя в выражение (1) для двигателя ЗМ3-4062: Н=0,2 м, g=9,8 м/с, S=0,000314 м, λ=0,02, l=0,20 м, d=0,02 м при различных значениях коэффициентов сопротивления ε получена зависимость расхода масла через маслоприемник Q·10 м/c от коэффициента сопротивления сетки маслоприемника ε (Фиг.3).
-4
3
-4
3
-4
3
3
Зависимость расхода масла через маслоприемник Q·10 м/c от коэффициента сопротивления сетки маслоприемника ε (Фиг.3) можно разделить на 3 участка: L, K и М. На участке длиной L наблюдается линейное падение расхода масла через маслоприемник Q, при несущественном росте сопротивления сетки маслоприемника. В точке р, соответствующей расходу масла Q=7,00·10м/c, на участке L наблюдается равенство подачи масла насосом и расхода через элементы КШМ. На участке длиной К наблюдается нарушение линейности (перегиб) зависимости. Участок длиной М характеризуется линейным (очень малым) изменением расхода масла через маслоприемник Q при существенном росте сопротивления сетки маслоприемника (с ε=700 ÷ 5000). В практике эксплуатации ДВС для безаварийной работы подшипников КШМ необходимо, чтобы расход масла всегда находился на участке L, причем выше точки р (расход масла более Q=7,00·10 м/с). Снижение расхода масла в области участков К и М недопустимо, т.к. производительность масляного насоса будет ограничиваться пропускной способностью маслоприемника, что при некоторых допустимых износах подшипников может привести к аварийному режиму их работы. Расчетная производительность насоса (м/с):
3
н
3
-1
где Q - объем полостей между зубьями шестерни, м/об, n - частота вращения шестерни насоса, мин.
н
-1
Приравняв расчетную производительность насоса (формула 2) к значениям пропускной способности маслоприемника (формула 1), была получена частота вращения шестерен масляного насоса n, мин, которая соответствует максимальному значению давления масла Р, Па, для различной степени засоренности маслоприемника ε:
Давление в центральной масляной магистрали Р, МПа, определится:
3
3
2
Q - пропускная способность маслоприемника, м/с; ρ - плотность масла, кг/м; µ - коэффициент расхода масла; f - суммарная площадь сечения в подшипниках двигателя, м.
-1
При использовании выражений (формула 3) и (формула 4) была получена зависимость давления Р, МПа, масла в центральной масляной магистрали от частоты вращения шестерен масляного насоса n, мин для различных значений коэффициентов сопротивления сетки маслоприемника ε в момент выравнивания подачи масла насосом и расхода через подшипники КШМ - Фиг.4.
На Фиг 4. имеются обозначения: 7-ε=0,05, 8-ε=0,29, 9-ε=0,77, 10-ε=1,56, 11-ε=5,47, 12-ε=17,3, 13-ε=52,6.
При анализе зависимости (Фиг.4) можно сделать вывод, что чем больше степень засорения сетки маслоприемника, тем на меньшей частоте вращения шестерен насоса произойдет выравнивание подачи масла насосом и расхода через элементы КШМ.
-1
Установлено, что наиболее чувствительным и достоверным диагностическим параметром для определения технического состояния маслоприемника является частота вращения коленчатого вала двигателя, при которой величина мгновенного давления достигает своего максимального значения (менее величины давления срабатывания редукционного клапана насоса 0,56 МПа при n=3500 мин).
При использовании измерительного комплекса MIC-400 и датчика давления - ИПД2-0,6 производят измерение динамики роста мгновенного давления в центральной масляной магистрали при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя от минимальной до максимально возможной.
-1
При этом получают зависимость мгновенной величины давления Р, МПа от частоты вращения коленчатого вала двигателя n, мин - Фиг.5.
2
2
2
2
м
Зависимости, представленные на Фиг.5 (для двигателя ЗМ3-4062) получены экспериментально для различных сопротивлений маслоприемника. При этом вместо маслоприемника устанавливали регулировочный кран (имитирующий засоренность маслоприемника). На Фиг.5 имеются обозначения: 14 - кран открыт на 75% (площадь сечения 0,00030 м); 15 - кран открыт на 50% (0,00020 м); 16 - кран открыт на 25% (0,00010 м); 17 - кран открыт на 15% (0,00006 м) температура масла t=90°C.
-1
-1
-1
-1
По полученной зависимости находят частоту вращения коленчатого вала двигателя, соответствующую максимальной величине мгновенного давления. Например, для 1 зависимости (Фиг.5) частота вращения коленчатого вала двигателя составила n=3350 мин, 15-n=2620 мин, 16-n=2120 мин, 17-n=1750 мин,
-1
Экспериментально установлено, что предельным диагностическим параметром для определения технического состояния маслоприемника является частота вращения коленчатого вала двигателя менее n=3000 мин, соответствующая предельному значению мгновенного давления (предельным является мгновенное давление менее 85% от давления срабатывания редукционного клапана).
Сравнивают полученную частоту вращения коленчатого вала двигателя, соответствующую максимальной величине мгновенного давления, с эталонной, полученной для технически исправного двигателя. Определяют путем их сравнения степень засорения маслоприемника системы смазки ДВС. Чем меньше величина частоты вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной величине мгновенного давления, тем больше степень засорения маслоприемника.
Технический результат заключается в повышении точности оценки технического состояния маслоприемника системы смазки двигателя внутреннего сгорания.
Использование предлагаемого способа оценки технического состояния ДВС позволяет грамотно и своевременно определять предельные величины засоренности маслоприемника, а также предотвращать отказы двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации.