DIAGNOSTIKA
TĚSNOSTI SPALOVACÍHO PROSTORU MOTORU
DIAGNOSTIC
THE CLOSE COMBUSTION SPACE ENGINE
Josef Pošta –
Roman Pavlíček
Abstract: [JP1]
The servicing of machines is getting more challenging, complicated and expensive. Nowadays machines are able to be nor engaged neither serviced without any suitable diagnostic ways. The trend leads towards permanent automatical monitoring of all important parts and functions of machines. For this purpose it seems to be handy to use dynamic ways of demountingless diagnostic done directly during the real engine running.
This present reflects the results and knowledge based on the experimental testing possibilities of indirect reading of leakproofness of room inside the internal-combustion engines by the help of an analyse of the intentaneous stream running done off a starter gear and of the intentaneous tension running on starter connectors during the engine ignication. The work describes the basic impact on an accuracy and reliability of obtained results and there are also compared both of these possibilities.
Key words: leakproofness of room inside, stream of starter, tension of starter, the relative compression pressure
Klíčová slova: těsnost spalovacího prostoru, proud spouštěče, napětí spouštěče, relativní kompresní tlak
1. ÚVOD
Pístové spalovací motory jsou dnes nejrozšířenějšími motory mobilních strojů. Účinnost přeměny energie u nich závisí, mimo jiné, na těsnosti spalovacího prostoru. Zjistit těsnost spalovacího prostoru je proto jedním z nejčastějších úkolů údržby motoru. Z pochopitelných praktických důvodů se dává přednost vždy nepřímému, diagnostickému zjišťování. Využitelných způsobů diagnostiky spalovacího prostoru je více, většinou jsou spojeny alespoň s částečnou demontáží (zapalovací svíčky nebo vstřikovače).
Jako zcela bezdemontážní způsob diagnostického zjištění těsnosti (netěsnosti) spalovacího prostoru se nabízí měření okamžitého průběhu proudu odebíraného spouštěčem a nebo sledování okamžitého poklesu napětí na svorkách spouštěče během spouštění motoru. Základní myšlenkou tohoto způsobu je předpoklad, že odebíraný proud (napětí) je úměrné okamžitým mechanickým odporům spouštěného motoru a že mechanické odpory motoru jsou úměrné těsnosti spalovacích prostorů jednotlivých válců.
Adresa autorů: Doc. ing. Josef Pošta, CSc. Ing. Roman Pavlíček technická fakulta, ČZU
v Praze, Kamýcká 129, 165 21 Praha 6 – Suchdol, Czech
Republik Tel.: 004202 24381111 E-mail: Posta@tf.czu.cz Petracek@tf.czu.cz
Při bližším zkoumání vhodnosti tohoto způsobu diagnostiky těsnosti (netěsnosti) spalovacího prostoru se objeví několik dalších vlivů, které je třeba buď eliminovat nebo poznat jejich závislosti. Jsou to zejména tyto další, z hlediska diagnostiky těsnosti (netěsnosti) spalovacího prostoru rušivé, vlivy:
· jiné mechanické odpory než odpory samotného motoru, např. mechanický odpor spouštěče a k motoru připojených převodů,
· případné závady v elektrických obvodech spouštěče, např. přechodové odpory elektrických spojů, stav komutátoru spouštěče,
· okolnosti ovlivňující mechanické odpory samotného motoru, např. průchodnost sacího traktu motoru a teplota motoru (motorového oleje),
· citlivost zvoleného diagnostického signálu na změny zjišťovaného ukazatele a jeho necitlivost na rušivé vlivy.
V tomto příspěvku se autoři zaměřili na poslední z uvedených vlivů a zkoumají otázku výběru vhodného diagnostického signálu a podmínky jeho použití.
2. METODIKA
Je-li jeden válec čtyřdobého motoru protáčen spouštěčem, proběhnou během čtyř zdvihů pístu (dvou otáček klikového hřídele) čtyři pracovní takty. Během sacího, expanzního a výfukového zdvihu klade motor proti protáčení přibližně stálý odpor, protože je otevřený některý z ventilů nebo expanduje komprimovaná směs (vzduch). Během kompresního zdvihu dochází ke kompresi nasáté směsi (vzduchu) a odpor proti protáčení vzrůstá. Na jeho překonání musí spouštěč vyvodit větší točivý moment a musí proto odebírat větší proud, současně bude klesat napětí na svorkách. Čím těsnější tedy bude spalovací prostor, tím budou větší rozdíly v potřebném momentu spouštěče při různých pracovních zdvizích pístu. U jednoválcového motoru k tomuto nárůstu dojde jednou za dvě otáčky klikového hřídele, u víceválcového motoru adekvátně častěji. Jsou-li známé otáčky kterými je motor protáčen, je také známá frekvence tohoto kolísání točivého momentu a proudu a napětí na spouštěči. Tato frekvence je základní frekvencí výsledného průběhu měřené veličiny (diagnostického signálu).
Kromě této základní frekvence se však na výsledném průběhu signálu projeví další výkyvy o různých frekvencích, které se superponují na základní průběh a z pohledu zjišťování těsnosti spalovacího prostoru mohou působit rušivě. Pravděpodobně se zde může projevit přechod do záběru jednotlivých zubů pastorku spouštěče a ozubeného věnce setrvačníku, přechod kartáčů spouštěče mezi lamelami komutátoru, házení hřídele spouštěče, elektrické závady na jednotlivých vinutích spouštěče. Potlačit nebo posílit tyto další výkyvy snímaného diagnostického signálu je možno volbou vhodné vzorkovací frekvence, podmínkami měření a volbou diagnostického signálu.
Jako vhodný diagnostický signál se pro zjišťování těsnosti spalovacích prostorů motoru jeví odebíraný proud nebo napětí na svorkách spouštěče během spouštění motoru. S přihlédnutím k základním elektrickým vlastnostem spouštěče a akumulátoru lze vyslovit tuto pracovní hypotézu: Čím těsnější je spalovací prostor protáčeného spalovacího motoru, tím větší se objeví výchylka v průběhu proudu odebíraného spouštěčem. Zcela analogické výchylky se objeví také v průběhu napětí na svorkách spouštěče.
Pro ověření této pracovní hypotézy byl proveden experiment na motoru Škoda Felicie 1,3, který měl tyto technické parametry:
|
spalovací
motor: |
4-taktní,
4-válcový |
|
kompresní
tlak |
1,2
MPa |
|
spouštěč: |
12V,
0,8 kW, typ 443 115 142 350, ČSN 30 4208 |
|
akumulátor: |
12V,
44 Ah |
Motor byl v dobrém technickém stavu. Kompresní tlaky ve všech válcích byly stejné (změřeny pomocí kompresometru při 272 ot/min).
Průběh proudu byl snímán bezkontaktně, pomocí klešťového ampérmetru, jehož signál byl pomocí A/D převodníku přiveden přes zesilovač na vstup registračního osciloskopu.
Průběh napětí byl snímán napěťovou sondou připojenou ke svorkám spouštěče. Napěťový signál byl pomocí A/D převodníku veden na druhý vstupní kanál registračního osciloskopu.
Časová základna byla společná pro oba dva snímané signály, vzorkovací frekvence nastavena na 1,221 kHz, tomu odpovídá vzorkovací perioda 0,8192 ms.
Z naměřených okamžitých hodnot byl stanoven relativní kompresní tlak v daném válci tak, že válci s největším lokálním maximem byl přiřazen 100 % relativní kompresní tlak. Porovnáním maximálních amplitud byl stanoven relativní kompresní tlak ostatních válců.
3. VÝSLEDKY A DISKUSE
Výsledky měření na uvedeném motoru v dobrém technickém stavu jsou na obr. 1. Výsledky měření s uměle vytvořenou velkou netěsností (demontovaná zapalovací svíčka v jednom válci) jsou na obr. 2 a 3.
Obr. 1 Průběh napětí a proudu během jedné otáčky spouštěného motoru
Fig. 1 The curve power end stream during one
round starting engine
Obr. 2 Průběh napětí a proudu během jedné otáčky spouštěného motoru s velkou netěsností jednoho válce
Fig. 2 The curve power end stream during one round starting engine with small close one cylinder.
Obr. 3 Relativní kompresní tlaky
A stanovené z průběhu proudu B
stanovené z průběhu napětí
Fig. 3 The relative compression pressurs
A Fixed out of curve stream B Fixed
out of curve power
Z obr. 1 až 3 je patrné, že obě testované veličiny (proud a napětí) dávají zcela srovnatelné výsledky. Jsou tedy principiálně stejně vhodné jako diagnostický signál pro daný účel a o volbě mezi nimi rozhodnou další okolnosti, které jsou porovnány v tabulce 1.
Tabulka 1 Porovnání diagnostických signálů
|
Signál |
průběh proudu |
průběh napětí |
|
Výhody |
· větší amplituda · menší vliv rušení (jiskření na komutátoru) · bezkontaktní snímání |
· není třeba speciální sonda · univerzálně použitelné · snadné napojení měřicí sondy |
|
Nevýhody |
· nutná bezkontaktní měřící sonda · výstupní signál je nutno převést na napětí · měřicí sonda má omezený rozsah |
· menší amplituda · možný vliv rušení (jiskření na komutátoru) · vyšší nároky na další zpracování |
Z hlediska provedení samotného měření je snazší snímat průběh napětí na svorkách spouštěče během spouštění, protože připojení měřicí sondy je snadné a rychlé, není nutná žádná demontáž a je použitelná universální měřicí sonda. Amplituda průběhu napětí je však během spouštění menší než u proudu, proto je nutný citlivý přístroj s vyšší přesností. Zpracování signálu měřicí sondy před jeho zobrazením na obrazovce osciloskopu a uložením do paměti je jednodušší a za normální situace není zdrojem náhodných chyb.
Amplituda průběhu proudu během spouštění motoru je větší než u napětí. V proudové sondě však musí být zabudován zesilovač a pro zobrazení na obrazovce osciloskopu musí být proud převeden na napětí. Zpracování signálu je tedy komplikovanější a je zde větší riziko náhodných chyb.
4. ZÁVĚR
Provedené experimenty potvrdily, že z principiálního hlediska jsou jak průběh napětí na svorkách spouštěče, tak proud odebíraný z akumulátoru spouštěčem během protáčení spalovacího motoru vhodnými diagnostickými signály pro posouzení těsnosti spalovacích prostorů jednotlivých válců motoru.
Provedené experimenty rovněž potvrdily, že je vhodné snímat pomocí vícekanálového přístroje současně průběh obou veličin. Tím mohou být eliminovány některé náhodné chyby měření způsobené měřicími sondami a jejich zapojením.
Hodnocení těsnosti spalovacích prostorů motoru podle průběhu napětí nebo proudu spouštěče dává pouze relativní výsledek. Proto může velmi dobře sloužit jako vstupní test, na jehož základě se rozhodne o případném provedení detailní kontroly. Může také velmi dobře sloužit pro automatické permanentní sledování těsnosti spalovacích prostorů a upozornit na zhoršování stavu.
5. POUŽITÁ LITERATURA
1.
BALLA,
J. - BALOG, J. - ČIČO, P. - HORKA, M.: Spoľahlivosť strojov. Nitra, VaES VŠP,
1999
2.
KADLEČEK,
B. – VAN NHAC, A. - PEJŠA, L..: Programovatelný sběrač dat pro dynamická měření
spalovacích motorů. In: Zborník z mezinárodnej vedeckej konferencie
„Agrotech Nitra ´99“, SPU v Nitre, 1999, 2. diel, s. 181-187, ISBN
80-7173-613-2
3.
POŠTA,
J. - PAVLÍČEK, R. - KADLEČEK, B.: Komputerowa diagnostyka alternatorów
samochodowych (Computer-based diagnostics of vehicle alternators). In:
Inźyniera Rolnicza, PAN PTIR IBMER, Warszawa, 2000, s. 188 - 194, ISSN
1429-7264
4.
POŠTA,
J.: Dynamická diagnostika mobilních strojů. In: Sborník "Operational dependability
of machines ´2000", ČZU, Praha, 2000, s. 103-106, ISBN 80-213-0631-9
5.
POŠTA,
J.: Trendy v technologii údržby. In: Sborník referátů semináře „Údržba v
systémech jakosti". ČSJ, Praha, 1999, s. 30 - 42, ISBN 80-02-01298-4