Среднее значение неравномерности вращения коленвала

Распознавание пропусков зажигания

Из-за пропусков зажигания несгоревшая топливно-воздушная смесь попадает в катализатор и может привести к термическому разрушению катализатора. Термические повреждения может получить и лямбда-зонд. Выбросы углеводородов значительно возрастают. При возникновении пропусков зажигания возникает и неравномерность вращения коленвала; на нем возникает разный крутящий момент. Для распознавания пропусков зажигания используются различные методы анализа. Анализ пропусков зажигания выполняется селективно по отдельным цилиндрам с помощью датчика частоты вращения коленвала. При выходе этого датчика из строя работа двигателя невозможна.

Метод неплавности хода

При этом методе пропуски зажигания распознаются по результатам расчета угловой скорости коленчатого вала и возможной соответствующей неплавности хода. По моменту зажигания или сигналу датчика положения распределительного вала система управления двигателем распознает, в каком цилиндре имеет место неплавность хода. При возникновении пропусков зажигания может быть прерван впрыск топлива в соответствующий цилиндр или цилиндры. Если за заданное количество оборотов коленчатого вала возникает несколько пропусков зажигания, которые могут привести к повреждению катализатора или повышению выбросов, загорается индикатор неисправностей (MIL). Неисправность и данные об окружающих условиях на момент ее появления (Freeze Frame) записываются в регистратор событий.

Неравномерность вращения, вызванная допусками изготовления, устраняется путем постоянной адаптации системы и сравнения с предельными значениями. При определенных условиях эксплуатации, таких как режим принудительного холостого хода, вмешательство в зажигание внешних систем — регулирования по детонации и A5R или при очень быстрой смене нагрузок, система не реагирует. Неравномерность вращения, возникающая из-за грубых неровностей дороги, можно распознать с помощью датчика ускорения кузова (деталь С). Для распознавания плохой дороги можно также использовать сигналы датчиков скорости вращений ведущих колес.

Рис. Задающее колесо

Для распознавания неравномерности вращения с помощью индуктивного датчика частоты вращения и базисной метки на коленчатом валу определяется частота вращения, угловая скорость и положение коленчатого вала. Система включает в себя соединенный с коленчатым валом зубчатый обод (например, шкив или маховик), называемый задающим колесом. Задающее колесо поделено на сектора соответственно количеству цилиндров и интервалу зажигания цилиндров. Время, необходимое каждому сектору на один проход, служит для распознавания возникающих пропусков зажигания. Пропуски зажигания вызывают изменение ускорения поршней и, как следствие, неравномерность вращения коленчатого вала в пределах нескольких миллисекунд. Управляющая электроника распознает это изменение времени за проход одного сектора, и при превышении запрограммированных предельных значений регистрируется неисправность.

Рис. Распознавание неплавности хода

Возникающая неплавность хода составляет миллисекунды. В этом примере 4-й цилиндр является причиной неплавности хода. Система постоянно проверяет процент пропусков зажигания через установленные интервалы измерения (например, 1000 оборотов коленчатого вала). Превышение концентрации СИ в 1,5 раза соответствует более 2% или 20 пропускам зажигания. При превышении этого значения идентифицируется соответствующий цилиндр, и при повторном обнаружении неплавности хода в следующем интервале считывания регистрируется неисправность и загорается MIL. Система подачи топлива в цилиндр выключается, когда процент пропусков зажигания начинает угрожать повреждениями катализатора.

Во избежание длительного выключения подачи топлива при эпизодически появляющихся неисправностях при каждом запуске двигателя снова активизируется впрыск в этот цилиндр. При повторном появлении пропуска зажигания цилиндр вновь отключается. Если неисправность больше не появится, то MIL погаснет; однако неисправность будет записана в память.

При следующих условиях постоянный контроль пропусков зажигания может быть выключен:

• активизирован резерв топлива;
• двигатель работает в режиме принудительного холостого хода;
• сильно колеблющееся положение педали газа;
• нестабильные рабочие состояния;
• вмешательство или активизация регулирования по детонации;
• активизация систем управления динамикой движения (ASR или ESP);
• изменения скорости вращения в трансмиссии из-за плохой дороги.

Метод анализа момента

Метод анализа момента, как и метод неплавности хода, служит для распознавания пропусков зажигания селективно по отдельным цилиндрам в зависимости от сигналов датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика положения распределительного вала или момента зажигания. Различие между этими методами состоит в оценке сигналов. Метод анализа момента сравнивает неравномерность частоты вращения с фиксированными расчетами в ЭБУ. Основой этих расчетов являются зависимый от нагрузки и оборотов крутящий момент, инерционная масса и соответствующие обороты двигателя. Последние должны анализироваться для каждого типа двигателя и записываются в ЭБУ в качестве сравнительной величины.

Основной принцип этого анализа состоит в том, что в фазе сжатия кинетическая энергия двигателя расходуется на сжатие топливно-воздушной смеси. В результате обороты двигателя немного понижаются. Затем происходит зажигание, и обороты двигателя слегка возрастают из-за ускорения поршня. При каждом сгорании происходит небольшое колебание оборотов между тактом сжатия и рабочим тактом.

При рассмотрении всех цилиндров двигателя колебания оборотов двигателя накладываются друг на друга, и получается итоговая характеристическая кривая частоты вращения. Эта кривая определяется датчиком оборотов и контролируется в ЭБУ путем сравнения с сохраненными характеристическими кривыми. При выходе значений за допустимые пределы загорается индикатор неисправностей MIL и регистрируется неисправность.

Нежность к ревущему зверю

Нежность к ревущему зверю

Важное условие работоспособности нейтрализатора — правильный состав рабочей смеси в цилиндрах. Эта смесь должна быть как можно ближе к стехиометрической.

Наиболее опасна для нейтрализатора бедная смесь, вызывающая пропуски воспламенения — в этом случае в него поступают пары несгоревшего топлива и неиспользованный кислород. В присутствии катализатора — тонкой пленки платины и родия, нанесенных на соты нейтрализатора, — реакция окисления идет столь бурно, что температура поднимается выше критических 900–1000°С. Наполнитель, если он металлический, оплавляется, соты закупориваются. А керамический наполнитель зачастую разрушается полностью. То и другое показано на снимках.

Богатая смесь для нейтрализатора не так опасна, ведь попавшее в него топливо должно сгорать, а для этого нужен кислород, которого при этом в отработавших газах недостаточно. Забить же поры нейтрализатора сажей довольно сложно.

А теперь о некоторых тонкостях терминологии. Когда говорят о пропусках воспламенения смеси в цилиндрах, надо иметь в виду, что они не обязательно вызваны неисправностями в системе зажигания — высоковольтных проводах, катушках, свечах и т.п. Не меньшую роль здесь играют нарушения состава смеси в цилиндрах (переобогащение или переобеднение), низкая компрессия, неверные фазы газораспределения, проникновение в цилиндры охлаждающей жидкости и т.д. Между тем в некоторые переводы технической литературы с иностранных языков издавна вкралась ошибка: пропуски воспламенения кто-то назвал пропусками зажигания, что, мягко говоря, не одно и то же, но переводчик не увидел разницы. А вдруг в одном из цилиндров клапан неплотно прилегает к седлу или не работает форсунка? Увы, некоторые горе-механики, когда двигатель работает с перебоями, тут же говорят о «пропусках зажигания». Не стоит, однако, забывать разницу!

Как контроллер «отлавливает» пропуски воспламенения? Причину неисправности он не знает, а лишь фиксирует повышенную неравномерность вращения коленвала, опираясь на показания датчика его положения — ДПКВ. Каким образом? Допустим, двигатель с порядком вспышек в цилиндрах 1-3-4-2 работает в установившемся режиме, причем первый и третий цилиндры в порядке, а в четвертом воспламенения нет. Время полуоборота первого и третьего цилиндров одинаковое, а у четвертого оно больше — коленвал замедлился. Затем второй цилиндр вновь его ускорит. Контроллер фиксирует сбой в работе двигателя и помечает его как пропуск.

Для подсчета пропусков у каждого цилиндра свой счетчик: SUM1, SUM2, SUM3, SUM4. Вычислить виновника контроллеру помогает датчик положения распредвала. Допустим, обнаружен пропуск воспламенения в третьем цилиндре, тогда значение SUM3 увеличивается на единицу и т.д. Подсчет продолжается в течение 1000 оборотов коленвала (допустимо, если счетчик накопит за это время пять пропусков), потом результат обнуляется — и отсчет возобновляется.

Система самодиагностики в комплектации Евро III внимательно следит за показаниями счетчиков. Если их сумма превысит отметку 2,5% — будет зафиксирована неисправность и записан код ошибки P0300. Коды P0301, P0302, P0303, P0304 указывают неисправность конкретного цилиндра.

В паре со счетчиком SUM трудится еще один — SUMKAT. Его задача — фиксировать пропуски во всех цилиндрах, влияющие на работоспособность нейтрализатора. При обнаружении одного пропуска показание счетчика изменяется не на единицу, как в предыдущем случае, а на большую величину, зависящую от режима работы двигателя (обороты, нагрузка). Минимальный скачок составляет 30 единиц, а максимальный — 250. Подсчет пропусков прекращается через каждые 200 оборотов коленвала — и показание обнуляется. Если за такой цикл показание SUMKAT превысит 1000, то будет зафиксирована неисправность и в память контроллера записаны коды P0300, P0301…304. Потом в комбинации приборов замигает контрольная лампа и после небольшой задержки отключится форсунка в неисправном цилиндре. При многочисленных пропусках сразу в двух цилиндрах контроллер отключит оба — в любом случае перегрев нейтрализатора недопустим.

В ряде случаев самодиагностика может ошибаться по объективным причинам. Так, движение автомобиля по неровному покрытию означает неравномерное вращение колес, а с ними и коленвала. Чтобы толчок колеса в яме контроллер не посчитал за пропуск воспламенения, в моторном отсеке некоторых автомобилей, удовлетворяющих нормам Евро III (в том числе «Калины» ВАЗ-1118), рядом с верхней опорой стойки установлен «датчик неровной дороги». Это попросту вибродатчик, сигналы которого тоже обсчитываются контроллером. Сильные толчки, влияющие на равномерность вращения коленвала, контроллер анализирует — и отличает от пропусков воспламенения.

Согласно европейскому законодательству (Евро III, Евро IV), бортовая диагностика должна контролировать состояние нейтрализатора и при неисправности включать диагностическую лампу. Для выполнения этого условия на выходе из нейтрализатора установили второй датчик кислорода. Если нейтрализатор справляется со своей задачей, то на большинстве режимов на выходе из него количество кислорода ничтожно мало. На это указывает форма сигнала второго датчика кислорода — это почти прямая линия: колебания уровня сигнала очень невелики, а сам он достаточно высокий — около 0,7 В. Если нейтрализатор частично утратил эффективность, оставшийся кислород поступает на соответствующий датчик, его сигнал меняется, и вместо прямой линии на экране монитора мы видим выраженную кривую. Она похожа на сигнал первого датчика, но с меньшей амплитудой и небольшим фазовым сдвигом. Последний связан с длиной нейтрализатора и его частичной работой.

Но этим роль второго датчика кислорода не исчерпывается — он тоже участвует в точной подстройке состава топливовоздушной смеси, компенсируя погрешность первого датчика, которую необходимо учитывать по мере его старения. Контроллеры некоторых фирм, сравнивая показания обоих датчиков, рассчитывают коэффициент старения нейтрализатора, на основе которого специалисты по диагностике строят свои прогнозы.

Согласно требованиям Евро III и Евро IV, система самодиагностики должна регистрировать пропуски воспламенения смеси. Из-за них повышается содержание вредных веществ в выхлопных газах — в первую очередь несгоревших углеводородов (СН) — сверх допустимых норм. Дожигание чрезмерного количества углеводородов перегревает нейтрализатор и может вывести его из строя. При уровне пропусков воспламенения в двигателе свыше 4% (на каждые 100 рабочих циклов — более 4 пропусков) содержание несгоревших паров топлива в отработавших газах становится выше допускаемого современными нормами. Контрольная лампа начнет мигать, предупреждая водителя о нештатной ситуации. Для защиты нейтрализатора от перегрева некоторые автопроизводители прибегают к отключению подачи топлива в неработающий цилиндр. Но стандарт Евро II этого не требовал, поэтому на некоторых, даже не очень старых иномарках такой функции может не оказаться. АВТОВАЗ, начиная с автомобилей, удовлетворяющих Евро II, включил эту функцию в перечень обязательных. Насколько она полезна, лучше других знают владельцы «Шевроле-Нивы» с контроллером МР7.0: из-за дефектов модуля зажигания им приходилось заменять дорогостоящий нейтрализатор в сборе с резонатором. С контроллером М7.9.7. риск повредить нейтрализатор сведен к минимуму.

Современный каталитический нейтрализатор отработавших газов. В корпусе 6 заключен керамический или стальной носитель 5; он пронизан многочисленными мелкими сотами, создающими максимальную поверхность контакта с отработавшими газами. Состав их — под контролем датчика кислорода 1. Носитель закреплен в корпусе деталями 2 и 3. Соты покрыты оксидом алюминия 4, поверх которого нанесен тонкий слой катализаторов — платины и родия. Задача этих редких металлов — ускорять окисление углеводородов и окиси углерода до углекислого газа, а токсичные оксиды азота восстанавливать до азота. Нейтрализатор вступает в работу после разогрева до 300°С. Оптимальный рабочий диапазон температур от 400 до 800°С. Чем ближе нейтрализатор к двигателю, тем быстрее разогревается до рабочей температуры. Поэтому на смену бочонкам под днищем кузова пришли нейтрализаторы, совмещенные с приемной трубой, — катколлекторы. Носитель в них металлический либо керамический. Пленка благородных металлов тонка, но при штатной работе нейтрализатора они не расходуются, а поэтому достаточно долго и успешно справляются со своей задачей. Правда, при условии, что температурный режим не был превышен, а состав топливовоздушной смеси в цилиндрах поддерживался как можно ближе к стехиометрическому.

Испытание – Неравномерность вращения коленчатого вала на ХХ

Во время этого испытания оценивается неравномерность вращения коленчатого вала на холостом ходу. Оценивается неравномерность вращения коленчатого вала:

Nxx = (freq Max – freq Min) / freq XX,

freq Min, freq Max – минимальная и максимальная частота вращения коленчатого вала;

freq XX – частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, поддерживаемая блоком управления.

Результаты испытаний «Неравномерность холостого хода» 8-ми клапанного двигателя ВАЗ с блоком «Январь 7.2 Е2» представлены в таблице 9.

Испытание – Прокрутка двигателя стартером.Во время этого испытания определяется средняя частота вращения коленчатого вала, среднее напряжение и минимальное напряжение бортсети за время прокрутки двигателя стартером. Время прокрутки составляет 4 сек. Испытание проводят на прогретом двигателе. Вы можете установить время прокрутки перед проведением испытания (гл. меню – «Настройка» – «Параметры испытаний» – «Прокрутка»). Для проведения этого испытания адаптер нужно запитать внешним источником питания, т.к. при понижении напряжения питания возможно искажение замеров.

Испытание – Запуск двигателя.Во время этого испытания определяются время запуска двигателя и средняя частота вращения коленчатого вала. Испытание проводят на прогретом двигателе.

Результаты испытаний «Запуск» 8-ми клапанного двигателя ВАЗ с блоком «Январь 7.2 Е2» представлены в таблице 10.

Испытание АКБ (сканер).Следуйте рекомендациям, указанным в верхней части окна. Испытание генератора проводится в несколько этапов:

1. Измерение напряжения на клеммах АКБ при выключенных потребителях и источниках энергии должно быть в пределах 12,6 – 13,6 В.

2. На 20 – 30 секунд включается ближний свет для проверки заряженности АКБ. Напряжение не должно упасть ниже порогового уровня (зоны допусков показаны на шкалах в виде цветных прямоугольников).

3. На заведённом двигателе на холостом ходу проверяется напряжение на клеммах аккумулятора. Напряжение батареи должно быть в пределах 12,8 – 14,2 В.

4. Проверяется напряжение на оборотах 2000±200 об/мин. Напряжение батареи должно быть в пределах 13,8 – 14,2 В. Включить фары (дальний свет). Напряжение батареи должно находиться в тех же пределах.

Если напряжение батареи увеличивается с ростом частоты вращения двигателя и падает при включении нагрузки (фар), то неисправен регулятор напряжения.
Если напряжение батареи ниже нормы и при включении фар (частота вращения 2000±200 об/мин) уменьшается, причиной может быть слабое натяжение ремня привода генератора, неисправность генератора или неисправность регулятора напряжения. Если напряжение батареи ниже нормы и при включении фар (частота вращения 2000±200 об/мин) остается практически неизменным, то причиной является неисправность регулятора напряжения. Если напряжение батареи выше нормы, то возможны следующие причины:

– плохой контакт регулятора напряжения с «массой» автомобиля;

– повышенное переходное сопротивление в цепи возбуждения генератора;

– плохое соединение «массы» между двигателем и кузовом автомобиля;

– неисправность регулятора напряжения.

Испытание – Лямбда зонд.Испытание предназначено для проверки датчика кислорода. Запустите и прогрейте двигатель. Удерживайте обороты двигателя в диапазоне 2000 – 2500 об/мин. Если датчик кислорода не имеет электрического подогрева, то необходимо в течении 2 минут поддерживать эти обороты для прогрева датчика. Во время проведения испытания регистрируются замеры напряжения датчика кислорода при бедной и богатой смеси. Вы можете установить пороговые значения регистрации замеров датчика кислорода перед проведением испытания (гл. меню – «Настройка» – «Параметры испытаний» – «Лямбда зонд»).

Результаты испытаний «Лямбда зонд» 8-ми клапанного двигателя ВАЗ с блоком «Январь 7.2 Е2» представлены в таблице 11.

Расчет неравномерности вращения коленчатого вала

Суммарное касательное усилие Т_S непостоянно по углу поворота коленчатого вала. В связи с этим индикаторный крутящий момент М_i = Т_Sr на валу также является переменным в течение цикла. Однако к коленчатому валу приложено сопротивление гребного винта, постоянное по углу поворота коленчатого вала и равное М_ср. Это обуславливает появление на некоторых участках цикла избыточной работы А_изб суммарной касательной силы Т_S по отношению к работе А_ср сил сопротивления, рост избыточного крутящего момента М_i по отношению к среднему М_iср с соответствующим повышением кинетической энергии движения КШМ и других деталей, связанных с коленчатым валом. На этих участках увеличивается скорость вращения вала w.

На других участках периода рабочего цикла происходит снижение Т_S по сравнению с Т_ср и М_iср, что обуславливает недостаточную работу, производимую в цилиндрах, по сравнению с работой сил сопротивления. На этих участках происходит уменьшение кинетической энергии движения КШМ и деталей, связанных с валом.

Такие периодические колебания среднего касательного усилия и крутящего момента при постоянном моменте сопротивления вызывают колебания угловой скорости вращения вала w

Неравномерное вращение вала отрицательно влияет на работу дизеля и приводимых им устройств, поэтому степень неравномерности вращения вала d ограничивается правилами эксплуатации судовых дизелей. При работе дизеля на гребной винт допустимая величина d на номинальной частоте вращения равна: d = 1/20…1/30. Для дизеля 8ЧРН 32/48 принимаем d = 1/25.

Работа, затрачиваемая на увеличение кинетической энергии движения деталей и устройств при колебаниях частоты вращения коленчатого вала, равна:

где J – момент инерции поступательно движущихся и вращающихся масс, кинематически связанных с коленчатым валом, кг×м 2 .

J_кшм – момент инерции движущихся деталей двигателя;

J_н – момент инерции передачи и нагрузочных устройств;

J_м – момент инерции маховика.

N_i = 948 кВт – индикаторная мощность дизеля;

Величины А_изб и А_ср определим по рисунку 1.7,как соответствующие площади под кривой Т_сум и Т_ср:

А_изб/А_ср=1665/4620=0,36 – отношение избыточной работы к средней работе суммарной касательной силы за один период рабочего цикла.

J = 5,48×10 6 ×0,36×948 /[(1/25)×375 3 ] = 886,6 кг×м 2 .

Для определения величины J_кшм воспользуемся приближенной формулой:

J_кшм = к×i×D 2 × S 3 ×10 3 кг×м 2 , где

i = 8 – число цилиндров;

D = 0,32 м – диаметр цилиндра;

S = 0,48 м – ход поршня;

к – коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей дизеля; к = 1,16+1,85(d / S) 2 = 1,16+1,85(0,215/0,48) 2 = 1,53 – для тронковых дизелей с поршнями из алюминиевых сплавов. Здесь d = 0,215 м – диаметр рамовой шейки коленчатого вала. Так как на коленчатом валу установлены противовесы, коэффициент к следует увеличить в 1,3 – 1,8 раз. Примем к = 2,295,

Тогда, J_кшм = 2,295×8×0,32 2 ×0,48 3 ×10 3 = 207,92 кг×м 2 .

При определении момента инерции маховика пренебрегаем вращающимися массами валопровода и гребного винта, поэтому при расчете принимаем:

J_м = J – J_кшм = 886,6 – 207,92 =678,68 кг×м 2 .

Маховый момент инерции маховика равен J_м = М_мD 2 _м / 4. Конструктивные размеры маховика подбираем варьированием массы М_м и диаметра D_м, который определяем с учетом допустимой окружной скорости W и условий размещения маховика на двигателе. Допустимая окружная скорость ограничивается условием обеспечения достаточной прочности маховика и для чугунных маховиков не должна превышать 30…40 м/с. Принимаем W = 40 м/с. Диаметр маховика рассчитываем по формуле:

D_м = 60W / pn = 60×40 / (3,14×375) = 2,04 м.

Тогда массу маховика найдем по уравнению:

М_м = 4J_м / D 2 = 4×678,68 / 2,04 2 = 652,33 кг.