Аналитическая оценка разности расходов воздуха как диагностический параметр цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей

Введение. Дизельные двигатели остаются основным типом силовых установок для грузового транспорта и специальной техники, при этом в ближайшей перспективе их массовое замещение электрической тягой маловероятно. В этих условиях актуальной задачей является контроль технического состояния двигателя, в частности цилиндро-поршневой группы, ресурс которой определяет долговечность силового агрегата. Износ ЦПГ в процессе эксплуатации приводит к ухудшению основных эксплуатационных показателей двигателя. Несмотря на наличие различных методов диагностики, большинство из них отличается высокой трудоемкостью либо носит относительный характер. Наиболее надежные способы требуют применения внешних диагностических средств, тогда как бортовые системы самодиагностики позволяют оценивать состояние двигателя лишь косвенно. В связи с этим целесообразным является развитие методов оценки изношенности двигателя с использованием параметров, доступных для бортового контроля, таких как расход картерных газов.

Материалы и методы. Исследование зависимости расхода картерных газов с увеличением зазора в поршневом кольце от диаметра цилиндров проводилось математическим путем. В исследовании участвовали различные модели дизельных двигателей легкового и коммерческого сегмента. Для проведения исследования были выбраны дизельные двигатели с различными характеристиками, включая диаметр цилиндров в диапазоне от 83 до 144 мм и рабочий объем от 2 до 16,0 л. Для обработки данных применялись методы регрессионного анализа в программной среде MATLAB, в результате чего получены закономерности изменения расхода картерных газов через неплотности цилиндров и пропорциональная им величина – разность расходов воздуха с замкнутой системой вентиляции картера и при изоляции сапуна от впускного тракта. Дополнительно проводилась проверка адекватности модели путем сравнения расчетных данных с экспериментальными замерами в лабораторных и полевых условиях.

Обсуждение и заключение. Закономерность, полученная в ходе исследований, позволяет узнать степень изношенности цилиндропоршневой группы по значению расхода воздуха, измеренного штатными средствами бортового диагностирования, причем измерения проводятся с подсоединенным патрубком принудительной вентиляции картера и при изолировании данного патрубка от измерительного тракта в идентичных условиях. Научный вклад работы заключается в экспериментальном обосновании количественной связи между разностью расхода воздуха в двух режимах измерения (с подключенным и изолированным патрубком вентиляции картера) и степенью износа ЦПГ, что ранее в литературе не было представлено в виде явной диагностической закономерности, пригодной для использования со штатными датчиками. Установлено, что измерение разности расхода воздуха является надежным индикатором износа ЦПГ, позволяя прогнозировать состояние двигателя без применения инвазивных методов диагностики. В заключение исследования подчеркивается важность регулярного контроля состояния ЦПГ для поддержания оптимальных рабочих характеристик и продления срока службы двигателя. Дальнейшие работы рекомендуется направить на интеграцию предложенной методики в бортовые диагностиче ские системы.

1. Pavlov A., Karagodin V. Ensuring reliability of transportation vehicles with redundancy methods // MATEC Web of Conferences. 2021. Т. 334. С. 02028. https://doi.org/10.1051/matecconf/202133402028

2. Cui Y., Mu H., Yi X., Wei, S. Reliability Optimization Design of Diesel Engine System Based on the GO Method. Appl. Sci. 2023, 13, 3727. https://doi.org/10.3390/app13063727

3. Wang D.F., Yang H.X. Reliability Design Analysis of Engine //Intern. Combust. Engine Accessories. 2021. Т. 333. С.37-38.

4. Huang Y., Elvin C.Y. Ng, Yat-shing Yam, Casey K.C. Lee, Nic C. Surawski, Wai-chuen Mok, Bruce Organ, John L. Zhou, Edward F.C. Chan. “Impact of potential engine malfunctions on fuel consumption and gaseous emissions of a Euro VI diesel truck,” Energy Conversion and Management, vol.184, pp. 521–529, Mar. 2019, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.01.076

5. Дунаев А.В., Тарасенко В.Е., Жешко А.А. Бесприборные приемы контроля технического состояния автотракторных двигателей. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2024;1(57):199–205.

6. Чечет В.А., Демьяненко С.Н. Актуальность модернизации компрессионно-вакуумного метода в современных условиях // В сборнике: Доклады ТСХА: сб. ст. М., 2020. С. 310–312.

7. Шнитков Г.В., Воронин Д.М. Анализ современных способов оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания // Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования: материалы XIII Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры надежности и ремонта машин ФГБОУ ВО Новосибирского ГАУ, Новосибирск, 15 декабря 2021 г. Новосибирск: Издательский центр Новосибирского государственного аграрного университета «Золотой колос», 2021. С. 54–58. EDN QMDDBM.

8. Понизовский А.Ю. Определение наработки двигателя по параметру неплотности цилиндропоршневой группы // В сборнике: Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования: материалы XV Международной научно-практической конференции, посвященной памяти доцента М.А. Анфиногенова. Новосибирск, 2023. С. 125–127.

9. Кривцов С.Н., Пукало А.В., Кривцова Т.И. Сравнение диагностических параметров оценки герметичности надпоршневого пространства цилиндров дизельного двигателя при прокручивании стартером без подачи топлива // Журнал ААИ. № 6. 2015. С. 54–57.

10. Krivtsov S.N., Krivtsova T.I., Grebennikov A.S. Rotational dynamics of piston diesel engine crank shaft with deactivated cylinders at idle // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : 2019 International Conference on Innovations in Automotive and Aerospace Engineering, ICI2AE 2019, Irkutsk, 27 мая – 01 2019 года. Vol. 632. Irkutsk: Institute of Physics Publishing, 2019. P. 012040. https://doi.org/10.1088/1757-899X/632/1/012040. EDN DXEEMC.

11. Safonov A.V., Vertey M.L., Syrbakov A.P., Shnitkov G V., Krivtsov S N., Berezhnov N N. Diagnostics of piston space tightness by pressure change in engine casing under dynamic loading // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : 2019 International Conference on Innovations in Automotive and Aerospace Engineering, ICI2AE 2019, Irkutsk, 27 мая – 01 2019 года. Vol. 632. Irkutsk: Institute of Physics Publishing, 2019. P. 012069. https://doi.org/10.1088/1757-899X/632/1/012069 EDN SDQNXM.

12. Кулешов А.С., Козлов А.В., Фадеев Ю.М., Барченко Ф.Б. Программа ДИЗЕЛЬ-РК: Моделирование и оптимизация рабочих процессов ДВС // В сборнике: Двигатель-2010: материалы Международной конференции: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С. 287–292.

13. Kuleshov A, Mahkamov K. Multi-zone diesel fuel spray combustion model for the simulation of a diesel engine running on biofuel. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2008;222(3):309-321. https://doi.org/10.1243/09576509JPE530

14. Кулешов А.С., Фадеев Ю.М., Кулешов А.А. Развитие многозонных моделей для расчета сгорания в современных ДВС // Двигателестроение. 2017. № 2(268). С. 7–10. EDN ZCHZNH.

15. Быкова Ю.С., Вагин А.А., Андриянов С.М., Исламгулов Т.Ф., Сафин Р.Ф. Комплексный анализ прокладки газового стыка и элементов, ее окружающих, численным методом // Автомобильная промышленность. 2024. № 5. С. 11–19.

16. Kuleshov A.,Grekhov L., “Multidimensional Optimization of DI Diesel Engine Process Using Multi-Zone Fuel Spray Combustion Model and Detailed Chemistry NOx Formation Model,” SAE Technical Paper 2013-01-0882, 2013, https://doi.org/10.4271/2013-01-0882

17. Кривцов С.Н., Яковчук П.С., Деньгин И.Д. Влияние технического состояния дизельного двигателя на изменения давления в цилиндре // Транспортные и транспортно-технологические системы: материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 25-летию Института транспорта, Тюмень, 11–12 апреля 2024 года. Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2024. С. 163–167. EDNSDZRYG.

18. Кривцов С.Н., Яковчук П.С. Метод диагностирования цилиндропоршневой группы автомобильного двигателя // Безопасность колесных транспортных средств в условиях эксплуатации: материалы 116-й Международной науч.-техн. конференции. (Улан-Удэ, 2023). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2023. С. 99–104.

19. Николаев Е.В., Филиппова Е.М. Техническое состояние цилиндро-поршневой группы и расход картерных газов // Техника и оборудование для села. 2011. № 3. С.41–42.

20. Кулаков А.Т., Нуретдинов Д.И., Назаров Ф.Л. Контроль давления картерных газов дизельного двигателя при испытаниях и в эксплуатации для встроенной системы диагностирования // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. 2019. № 3 (82). С. 36–42.