Оценка состояния клапанного механизма

Оценка состояния клапанного механизма по пульсациям разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя.

Для оценки состояния клапанного механизма двигателя, ранее рекомендовалось измерять пульсации разрежения во впускном коллекторе с помощью датчика разрежения Dx из комплекта USB Autoscope, в режиме прокрутки двигателя стартером. Так же рекомендовалась методика диагностики фаз газораспределения по графику давления в цилиндре работающего двигателя, получаемому при помощи датчика давления Px из комплекта USB Autoscope.

Юрием Игнатенко была разработана дополнительная методика проведения оценки состояния клапанного механизма по пульсациям разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя. Данная методика позволяет измерять и сравнивать моменты начала открытия впускных клапанов и моменты конца закрытия выпускных клапанов двигателя, определять продолжительность фазы перекрытия клапанов для каждого цилиндра двигателя.

Суть методики.

Выпуск отработавших газов из цилиндра четырёхтактного двигателя осуществляется через канал, открывающийся при помощи выпускного клапана и соединяющий таким образом внутренний объём цилиндра с выпускным коллектором двигателя. Перетекание отработавших газов из цилиндра в выпускной коллектор происходит за счёт "выталкивания" газов из цилиндра поршнем, который во время такта выпуска движется по направлению к головке блока цилиндров.

Поступление новой порции топливовоздушной смеси в цилиндр четырёхтактного двигателя осуществляется через канал, открывающийся при помощи впускного клапана и соединяющий таким образом внутренний объём впускного коллектора двигателя с внутренним объёмом цилиндра. Перетекание топливовоздушной смеси из впускного коллектора в цилиндр происходит за счёт "засасывания" газов из впускного коллектора поршнем, который во время такта впуска движется по направлению от головки блока цилиндров и создаёт в цилиндре разрежение.

Для многих двигателей, фаза впуска топливовоздушной смеси начинается ещё до того, как закончится фаза выпуска отработавших газов. То есть, кратковременно, оба клапана одного и того же цилиндра – и выпускной и впускной – находятся в приоткрытом состоянии. Временной промежуток между моментом открытия впускного клапана и моментом закрытия выпускного клапана называется фазой перекрытия клапанов. Начало и конец фазы перекрытия клапанов находят своё отражение на графике пульсаций разрежения во впускном коллекторе в виде характерных точек и участков графика. Предлагаемая методика основана на их обнаружении и измерении их взаимного положения.


Внимание.

Методика оценки состояния клапанного механизма двигателя по пульсациям разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя предполагает, что впускной клапан диагностируемого двигателя открывается раньше, чем закрывается выпускной клапан. Так же предполагается, что диагностируемый двигатель не оснащён турбонаддувом / компрессором.

Описание формы и характерных точек графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя.

За счёт того, что начало и конец фазы перекрытия клапанов всех цилиндров двигателя определённым образом отражаются на графике пульсаций разрежения во впускном коллекторе, по характерным точкам этого графика можно обнаружить моменты начала открытия впускных клапанов и моменты закрытия выпускных клапанов. Начало фазы перекрытия клапанов и её окончание отражается так же и на графике давления в цилиндре – но только для того цилиндра, график давления в котором исследуется при помощи датчика Px.

 

Графики пульсаций разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя (показан зелёным цветом) и давления в одном из цилиндров (показан синим цветом).
1 – Момент открытия впускного клапана цилиндра, график давления в котором показан синим цветом.
2 – Момент закрытия выпускного клапана цилиндра, график давления в котором показан синим цветом.
3 – Такт выпуска отработавших газов из цилиндра, график давления в котором показан синим цветом.
4 – Такт впуска свежей порции топливовоздушной смеси в цилиндр, график давления в котором показан синим цветом.
360 – Точка ВМТ 360 цилиндра, график давления в котором показан синим цветом.


Такт выпуска.

Во время такта выпуска поршень движется по направлению к головке блока цилиндров, но за счёт того, что при этом выпускной клапан открыт, отработавшие газы в цилиндре не сжимаются, а "выталкиваются" из цилиндра через открытый выпускной клапан в выпускной коллектор, далее в выпускную систему и в атмосферу. Поэтому, во время такта выпуска, величина давления внутри цилиндра близка к величине атмосферного давления и превышает его на 0,1…0,3 Bar-а при работе двигателя на оборотах холостого хода без нагрузки.


Такт впуска.

Во время такта впуска поршень движется по направлению от головки блока цилиндров, и за счёт того, что при этом впускной клапан открыт, происходит "засасывание" топливовоздушной смеси из впускного коллектора через открытый впускной клапан в цилиндр. Но при работе двигателя на холостом ходу, дроссельная заслонка и клапан холостого хода почти закрыты и создают значительную преграду для притока воздуха от воздушного фильтра во впускной коллектор. Поэтому газы во впускном коллекторе и, соответственно в сообщающемся с ним через открытый впускной клапан цилиндре, сильно разрежаются – величина давления внутри впускного коллектора и внутри цилиндра оказывается значительно меньшей величины атмосферного давления (то есть, возникает разрежение)

Таким образом, во время такта впуска величина давления внутри цилиндра значительно меньше величины атмосферного давления. В середине такта впуска разрежение во впускном коллекторе возрастает до максимума (давление падает до минимума).


Начало фазы перекрытия клапанов.

Как во время такта выпуска, так и непосредственно перед началом фазы перекрытия клапанов, давление внутри цилиндра близко к атмосферному потому, что сообщение между внутренним объёмом цилиндра и атмосферой всё ещё присутствует через ещё не закрывшийся выпускной клапан, выпускной коллектор и выпускную систему. В начале фазы перекрытия клапанов начинает открываться впускной клапан, и за счёт этого, возникает сообщение между внутренним объёмом цилиндра и внутренним объёмом впускного коллектора.

Как было рассмотрено выше, в начале фазы перекрытия клапанов – когда начинает открываться впускной клапан, а выпускной клапан всё ещё открыт – давление внутри цилиндра близко к атмосферному, а давление во впускном коллекторе значительно меньше атмосферного давления (или, другими словами, во впускном коллекторе разрежение). А так как при этом впускной клапан открывает канал, создающий сообщение между внутренним объёмом цилиндра и внутренним объёмом впускного коллектора, газы из цилиндра начинают перетекать во впускной коллектор.

За счёт начала поступления газов из цилиндра во впускной коллектор, начиная с момента открытия впускного клапана, разрежение внутри впускного коллектора начинает уменьшаться (давление начинает увеличиваться). Момент начала падения разрежения во впускном коллекторе отмечен на иллюстрации маркером "1".


Участок между началом фазы перекрытия клапанов и точкой ВМТ 360.

Как видно по графику давления в цилиндре (график синего цвета), за счёт возникшего оттока газов из цилиндра во впускной коллектор, давление внутри цилиндра начинает несколько снижаться. Но величина этого снижения давления внутри цилиндра с момента начала фазы перекрытия клапанов и до точки ВМТ 360 незначительна по следующим причинам:
 

• поршень по-прежнему движется по направлению к головке блока цилиндров, уменьшая за счёт этого величину внутреннего объёма цилиндра; это уменьшение величины внутреннего объёма цилиндра несколько компенсирует падение давления газов внутри цилиндра, возникающее из-за утечки газов во впускной коллектор;
• выпускной клапан всё ещё открыт, и внутренний объём цилиндра за счёт этого продолжает сообщаться с выпускным коллектором, где давление близко к атмосферному; поэтому, падение давления газов внутри цилиндра, из-за их утечки во впускной коллектор, компенсируется за счёт "подсоса" газов в цилиндр из выпускного коллектора.

Вследствие "подсоса" газов из цилиндра во впускной коллектор, давление газов внутри впускного коллектора непрерывно возрастает (разрежение падает).


Точка ВМТ 360.

Как видно из приведённой иллюстрации, положение точек пересечения передних фронтов графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе (график зелёного цвета) с нулевой линией графика (с линией, отмечающей уровень смещения сигнала по постоянному напряжению) по времени может совпадать или приближаться к моменту, когда поршень цилиндра, график давления в котором показан на иллюстрации синим цветом, находится в положении ВМТ 360 (конец такта выпуска и начало такта впуска). Это позволяет принимать точки пересечения переднего фронта графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе с нулевой линией графика за моменты, когда поршни двигателя находятся в положении ВМТ 360. Положение этих точек на графике с приемлемой точностью совпадает с моментами, когда поршни двигателя находятся в положении ВМТ 360.


Участок между точкой ВМТ 360 и концом фазы перекрытия клапанов.

Заметное снижение давления внутри цилиндра (нарастание разрежения) начинается с точки ВМТ 360 и продолжается до конца фазы перекрытия клапанов. Это происходит по следующим причинам:
 

• выпускной клапан закрывается, и величина притока газов из выпускного коллектора в цилиндр из-за этого всё более ограничивается;
• поршень изменил своё направление движения на противоположное – теперь он движется по направлению от головки блока цилиндров и величина внутреннего объёма цилиндра увеличивается; из-за этого увеличения величины внутреннего объёма цилиндра газы внутри цилиндра разрежаются (давление газов внутри цилиндра уменьшается);
• впускной клапан продолжает открываться, сообщение внутреннего объёма цилиндра с внутренним объёмом впускного коллектора улучшается; а так как газы во впускном коллекторе значительно более разрежены нежели в цилиндре, процесс перетекания газов из цилиндра во впускной коллектор продолжается. Процесс перетекания газов из выпускного коллектора в цилиндр, а из цилиндра во впускной коллектор продолжается вплоть до самого конца фазы перекрытия клапанов (до момента полного закрытия выпускного клапана).

Из-за постоянного притока газов из выпускного коллектора в цилиндр а оттуда во впускной коллектор, давление внутри впускного коллектора продолжает повышаться (разрежение продолжает уменьшаться). Уменьшение разрежения во впускном коллекторе продолжается до момента полного закрытия выпускного клапана.


Конец фазы перекрытия клапанов.

Только начиная с момента закрытия выпускного клапана, процесс "подсоса" газов во впускной коллектор из выпускного коллектора через приоткрытый выпускной клапан => внутренний объём цилиндра => приоткрытый впускной клапан прекращается.

Поршень при этом продолжает двигаться по направлению от головки блока цилиндров, увеличивая таким образом величину внутреннего объёма цилиндра. Увеличение внутреннего объёма цилиндра приводит к некоторому падению давления внутри цилиндра, которое компенсируется за счёт "засасывания" газов в цилиндр из впускного коллектора.

Таким образом, в момент закрытия выпускного клапана (в конце фазы перекрытия клапанов) приток газов во впускной коллектор из цилиндра прекращается и начинается отток газов из впускного коллектора в цилиндр. За счёт возникновения оттока газов из впускного коллектора в цилиндр, давление внутри впускного коллектора начинает уменьшаться (разрежение внутри впускного коллектора начинает нарастать). Момент начала увеличения разрежения во впускном коллекторе (график зелёного цвета) отмечен на иллюстрации маркером "2".


Примечание.

Следует отметить то, что высота подъёма клапанов во время фазы перекрытия клапанов незначительна – выпускной клапан уже почти закрыт, а впускной клапан только начал открываться. Соответственно, количество газов, перетекающих во время фазы перекрытия клапанов из выпускного коллектора во впускной коллектор, незначительно.

Описание измерительной панели "Dx Panel".

На графике пульсаций разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя можно обнаружить характерные точки, указывающие моменты, когда поршни двигателя находятся в положении ВМТ 360, моменты когда происходит открытие впускных клапанов и моменты когда происходит закрытие выпускных клапанов.

Для проведения измерения временных характеристик этих процессов в градусах угла поворота коленчатого вала, к программе USB Осциллограф добавлен специальный инструментарий в виде измерительной панели "Dx Panel".

 

Измерительная панель "Dx Panel".

Измерительная панель "Dx Panel" позволяет по положению характерных точек графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя измерить и сравнить между собой моменты открытия впускных клапанов, моменты закрытия выпускных и продолжительность фаз перекрытия клапанов.


Порядок проведения измерений.

 

• Записать график пульсаций разрежения во впускном коллекторе прогретого до рабочей температуры диагностируемого двигателя, работающего на оборотах холостого хода без нагрузки. Для этого необходимо:
  • подключить к датчику разрежения Dx усилитель Dx Amplifier;
  • подключить питающие провода датчика разрежения Dx с усилителем Dx Amplifier к аккумуляторной батарее диагностируемого автомобиля – зажим типа "крокодил" чёрного цвета подключить к клемме "–" аккумуляторной батареи, зажим типа "крокодил" красного цвета подключить к клемме "+" аккумуляторной батареи;
  • соединить входной штуцер датчика разрежения Dx посредством короткого вакуумного патрубка со штуцером впускного коллектора диагностируемого автомобиля;
  • подключить выходной разъём датчика с усилителем к любому из аналоговых входов № 1-3 USB Autoscope II;
  • подключить питающие провода адаптера диагностики систем зажигания Ignition Adapter к аккумуляторной батарее диагностируемого автомобиля – зажим типа "крокодил" чёрного цвета подключить к клемме "–" аккумуляторной батареи, зажим типа "крокодил" красного цвета подключить к клемме "+" аккумуляторной батареи;
  • подключить адаптер диагностики систем зажигания к USB Autoscope II с помощью соединительного кабеля;
  • установить датчик первого цилиндра Sync (чёрного цвета) на высоковольтный провод первого цилиндра и подключить его к входу In Synchro адаптера диагностики систем зажигания;
  • запустить двигатель диагностируемого автомобиля и оставить его работать на холостом ходу;
  • в окне программы "USB Осциллограф" выбрать "Управление => Загрузить настройки пользователя => Phases => Phases_Run_Sync";
  • для начала записи сигнала, в окне программы "USB Осциллограф" выбрать "Управление => Запись";
  • для окончания записи сигнала, в окне программы "USB Осциллограф" выбрать "Управление => Запись".
• Загрузить измерительную панель "Dx Panel", для чего в окне программы "USB Осциллограф" выбрать "Анализ => Загрузить панель => Dx_Panel.apn" (файл "Dx_Panel.apn" обычно размещён в директории "C:\Program Files\USB Осциллограф\AnalyserScriptFiles\Dx_Panel").
• В строке "Двигатель:" на панели анализатора указать порядок работы цилиндров диагностируемого двигателя.
• При необходимости, в строке "Датчик Dx+Amp:" указать номер канала, отображающего сигнал от датчика разрежения Dx с усилителем Dx Amplifier.
• Программа автоматически рассчитывает и отмечает уровень напряжения, соответствующий напряжению постоянного смещения сигнала выбранного канала (на ширине экрана). Точки пересечения передних фронтов графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе с уровнем постоянного смещения совпадают с моментами, когда поршни диагностируемого двигателя находятся в положении ВМТ 360.
  
  Выбрать для анализа фрагмент графика, соответствующий одному циклу работы двигателя так, как показано на иллюстрации ниже. Маркеры "A" и "B" должны быть установлены в точках пересечения передних фронтов графика с уровнем постоянного смещения. При этом синхронизирующий импульс от датчика первого цилиндра должен оказаться по центру между маркерами "A" и "B".

Указание при помощи маркеров "A" и "B" выбранного для анализа фрагмента графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе.

 

• Нажать кнопку "Устан. маркеры" на панели анализатора. При этом, кроме прочего, программа пересчитает и отметит уровень напряжения постоянного смещения сигнала выбранного канала на выбранном для анализа участке, за счёт чего этот уровень может несколько сместиться. В таком случае необходимо подкорректировать положение маркеров "A" и "B" так, чтобы они вновь оказались в точках пересечения передних фронтов графика с вновь рассчитанным и отмеченным уровнем постоянного смещения и повторно нажать кнопку "Устан. маркеры" на панели анализатора. При этом, как и прежде, синхронизирующий импульс от датчика первого цилиндра должен остаться по центру между маркерами "A" и "B".
• Теперь при необходимости, с помощью кнопок "<" и ">" на измерительной панели "Dx Panel" можно откорректировать положение точек ВМТ 360 каждого из цилиндров так, чтобы вертикальные жёлтые линии маски, отмечающие эти точки, пересекали передний фронт графика на уровне постоянного смещения (как показано на второй иллюстрации). Необходимость в коррекции положения этих точек может возникнуть вследствие неравномерности частоты вращения коленвала диагностируемого двигателя.
• Установить маркеры "0"…"7"… на характерные точки графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе.
• Сравнить полученные значения углов:
  • рассчитанные значения моментов начала открытия впускных клапанов отображаются в строке "Впуск.Откр:" измерительной панели "Dx Panel";
  • рассчитанные значения моментов закрытия выпускных клапанов отображаются в строке "Вып. Закр:" измерительной панели "Dx Panel";
  • рассчитанные значения продолжительности фаз перекрытия клапанов отображаются в строке "Перекр. кл:" измерительной панели "Dx Panel".

Недостатки метода.

Зависимость формы получаемого графика от конструктивных особенностей диагностируемого двигателя.

Каждая конкретно взятая конструкция впускного коллектора способствует увеличению амплитуды колебаний газов внутри коллектора на одних частотах и уменьшению амплитуды колебаний газов на других частотах. У каждого коллектора характер этого влияния свой. Поэтому, форма пульсаций разрежения во впускном коллекторе очень сильно зависит от конструкции впускного коллектора. Так же, существует зависимость формы получаемого графика от места расположения вакуумного штуцера, с которым посредством вакуумного патрубка соединён входной штуцер датчика. И, разумеется, существует зависимость от количества цилиндров двигателя.


Зависимость формы получаемого графика от метода соединения датчика с внутренним объёмом впускного коллектора.

На получаемую форму пульсаций разрежения во впускном коллекторе так же существенное влияние оказывают параметры вакуумного патрубка, при помощи которого входной штуцер датчика соединяется с внутренним объёмом впускного коллектора, а именно – величина поперечного сечения вакуумного патрубка и его длинна. Как следствие, результаты измерения положений характерных точек графика зависят ещё и от свойств применяемого соединительного патрубка.

 

Входной штуцер датчика разрежения Dx с усилителем Dx Amplifier соединён со штуцером впускного коллектора при помощи длинного вакуумного патрубка.

 

График пульсаций разрежения во впускном коллекторе, полученный при использовании длинного соединительного вакуумного патрубка.


 

Входной штуцер датчика разрежения Dx с усилителем Dx Amplifier соединён со штуцером впускного коллектора при помощи короткого вакуумного штуцера.

 

График пульсаций разрежения во впускном коллекторе, полученный при использовании короткого соединительного вакуумного патрубка.

Как видно по приведённым графикам, применение более короткого соединительного вакуумного патрубка приводит к повышению "детальности" получаемого графика. Это происходит потому, что короткий патрубок оказывает меньший эффект подавления высокочастотных колебаний газов, нежели длинный.

Замена соединительного патрубка на более длинный, приводит не только к изменению формы графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе, но может привести ещё и к смещению положения на графике точек пересечения передних фронтов графика с нулевой линией графика. Из-за этого, погрешность совпадения этих точек с моментами, когда поршни двигателя находятся в положении ВМТ 360, увеличивается. В некоторых случаях может так же наблюдаться смещение характерных точек, указывающих на начало и конец фазы перекрытия клапанов.


Методы уменьшения величины погрешности измерений.

Для уменьшения величины погрешности измерений, рекомендуется применять короткий соединительный вакуумный патрубок. Так же рекомендуется по возможности использовать тот штуцер впускного коллектора, поперечное сечение которого больше сечения других штуцеров. Рекомендуемая длинна соединительного вакуумного патрубка – не более 50…100 mm.

Но, применение короткого соединительного вакуумного патрубка, не всегда гарантирует достаточное уменьшение величины погрешности измерений. Поэтому, рассматриваемый здесь метод не всегда позволяет проводить измерение абсолютных значений углов начала открытия впускного клапана и конца закрытия выпускного клапана. Достоверно метод позволяет провести лишь сравнение состояния клапанного механизма различных цилиндров диагностируемого двигателя друг с другом.


Искажение формы получаемого графика вследствие вибраций корпуса датчика.

Напряжение выходного сигнала датчика пульсаций давления / разрежения несколько реагирует на вибрации корпуса датчика – в результате удара о корпус датчика возникают колебания напряжения выходного сигнала. Вследствие такой зависимости, на график пульсаций разрежения во впускном коллекторе накладывается ещё и часть графика вибраций корпуса датчика. Следует заметить, что величина зависимости выходного сигнала датчика от вибраций его корпуса у датчиков различных конструкций различна.

Таким образом, во время проведения измерений следует принимать меры для снижения интенсивности передачи вибраций от двигателя на корпус датчика.

Недостатки датчика пульсаций давления / разрежения на основе пьезопластины.

Методика проведения оценки состояния клапанного механизма по пульсациям разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя изначально разрабатывалась с применением датчика пульсаций давления / разрежения, построенного на основе пьезопластины. Но как выяснилось, датчик пульсаций давления / разрежения на основе пьезопластины обладает несколькими существенными недостатком. Основные из них:
 

• низкая повторяемость выходных характеристик датчика; это вызывает необходимость индивидуальной настройки характеристик каждого датчика путём подбора величины объёма внутренней камеры датчика и подбора поперечного сечения жиклёра входного штуцера; в случае самостоятельного изготовления датчика пользователем, дополнительно накладываются ещё и различия свойств пьезопластин разных производителей, моделей, диаметров и т.д.;
• величина объёма внутренней камеры датчика пульсаций давления / разрежения на основе пьезопластины существенна; поэтому, форма графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе получаемая при его помощи имеет слишком высокую зависимость от параметров соединительного вакуумного патрубка, при помощи которого входной штуцер датчика соединяется с внутренним объёмом впускного коллектора;
• пьезопластина датчика очень чувствительна к вибрациям корпуса датчика (устройство датчика имеет некоторое сходство с устройством датчика детонации).

Применение датчика разрежения Dx совместно с усилителем Dx Amplifier.

Чувствительность датчика разрежения Dx из комплекта USB Autoscope недостаточна для измерения пульсаций разрежения во впускном коллекторе работающего двигателя. По этому, для увеличения чувствительности датчика разрежения Dx был разработан усилитель его выходного напряжения Dx Amplifier.

 

Усилитель Dx Amplifier выходного напряжения датчика разрежения Dx.

 

Схема усилителя Dx Amplifier выходного напряжения датчика разрежения Dx

Усиление выходного сигнала датчика разрежения Dx по приведённой схеме позволяет получить сигнал не хуже сигнала, генерируемого датчиком пульсаций давления / разрежения на основе пьезопластины.


Преимущества применения датчика разрежения Dx совместно с усилителем Dx Amplifier.

Величина объёма внутренней камеры датчика разрежения Dx, существенно меньше величины объёма внутренней камеры датчика пульсаций давления / разрежения на основе пьезопластины. За счёт этого, в отличие от датчика пульсаций давления / разрежения на основе пьезопластины, форма графика пульсаций разрежения во впускном коллекторе получаемая при помощи датчика разрежения Dx с усилителем Dx Amplifier менее зависима от параметров вакуумного патрубка, при помощи которого входной штуцер датчика соединяется с внутренним объёмом впускного коллектора. Так же, датчика разрежения Dx менее чувствителен к вибрациям.