Примеры работ, проведенных с участием студентов групп направления подготовки 13.03.03 (бакалавриат), 13.04.03 (магистерская программа)– «Энергетическое машиностроение», профиль — «Двигатели внутреннего сгорания», на базе ХНПЛ ДВС.
1 Индицирование как метод диагностирования проходимости катализатора.
Суть проблемы. BMW E39 530 на 140 км/ч не набирает выше 2500 оборотов.
Однажды нам уже приходилось работать с калининградским E39 c забитыми катализаторами. Система управления регистрировала пропуски воспламенения в цилиндрах 4-6 под нагрузкой. По симптоматике было очень похоже на забитый катализатор второго ряда. Неудобство заключалось в том, что, поскольку автомобиль калининградский, лямбда-зондов нет; и поэтому нет возможности измерить противодавление ОГ, вкрутив штуцер в отверстие, предназначенное под зонд.
Поэтому для точной диагностики была применена методика диагностирования индицированием Индицирование ДВС - измерение давления газов в цилиндрах при работе двигателя. Для индицирования применялись свечи зажигания с датчиками давления и система сбора и обработки данных разработанные в ХНПЛ ДВС МАДИ. В результате диагностики были получены индикаторные диаграммы (графики давления в цилиндрах в зависимости от времени, угла поворота коленчатого вала или перемещения поршня) для второго и пятого цилиндров.
При нормальной работе ДВС давление в выпускном коллекторе должно быть близким к атмосферному.
На холостом ходу (рис.1) процессы газообмена во 2-ом и 5-ом цилиндрах выглядят следующим образом: на выпуске давление близко к атмосферному, а при смене выпуска впуском понижается на 0,4-0,5 бара.
Рис. 1
На режиме свободного разгона расход воздуха, а значит, и отработавших газов возрастает, и в индикаторных диаграммах 2-ого и 5-го цилиндров появляются различия. Во втором цилиндре давление во время такта выпуска близко к атмосферному, при смене выпуска впуском незначительно понижается (на режиме свободного разгона дроссельная заслонка открыта, и во впускном коллекторе давление также близко к атмосферному).В пятом цилиндре на режиме свободного разгона давление на выпуске около 3-3,5 бар, а при смене выпуска впуском линия давления понижается до давления близкого к атмосферному.
Рис. 2
Таким образом, предположение о забитом катализаторе второго ряда цилиндров подтвердилось, противодавление ОГ перед катализатором второго ряда составляет около 2,5 бар.
Катализаторы на автомобиле были удалены, проблема с пропусками воспламенения была решена.
* - использованы материалы исследования, проведенного сотрудниками ХНПЛ ДВС МАДИ Александровым А.В., Конюшковым Д.С. при участии студентов каф ТиАТД МАДИ.
2 Диагностирование работы системы ЭСУД ДВС в динамике. Определение алгоритмической неисправности.
Автомобиль БМВ 750 (Е65) с двигателем N62TU со следующими проблемами: неровная работа ДВС после пуска, ухудшенная динамика разгона, горит сигнальная лампа CHECK ENGINE.
Проявление неисправности на холостом ходу: после каждого запуска двигатель первые 5-10 секунд работает неравномерно, при этом пониженная эффективность работы ДВС явно выражена по цилиндрам 1 - 4, затем переходит в «аварийный» режим (снимается управление с электромагнитных клапанов Vanos, эксцентриковый вал поворачивается в положение, соответствующее максимальной высоте подъема впускных клапанов). После чего неравномерная работа двигателя прекращается. В ЗУ неисправностей DME записываются следующие ошибки: Vanos (впуск) ряд 1 – заданное положение не достигнуто; коленвал-распредвал впускных клапанов ряд 2 – смещение фазовых фронтов на 1 зуб.
Промывка и перестановка электромагнитных клапанов Vanos не принесла никакого результата, симптомы неисправности оставались неизменными. Далее была произведена процедура поочередной принудительной активации клапанов Vanos (фишка с клапана Vanos снимается, ДВС работает в «аварийном» режиме, активация производится путем подачи напряжения на электромагнитный клапан Vanos от бортовой сети автомобиля). При такой активации невозможно получить промежуточного положения распределительного вала относительно коленчатого (в штатном режиме электромагнитные клапана Vanos управляются DME посредством ШИМ), можно только поворачивать распредвал из одного крайнего положения в другое. В процессе этого опыта оказалось, что согласно диагностическому интерфейсу, все распределительные валы, кроме впускного распредвала первого ряда цилиндров, при активации поворачиваются на значительные углы: выпускные на ~ 45-50о, впускной второго ряда цилиндров на ~ 50-55o относительно коленчатого вала; а впускной распредвал первого ряда – только на 10-12о. После перестановки датчиков положения впускных распредвалов с первого ряда на второй и сброса адаптаций DME процедура принудительной активации была повторена, значения углов активации не изменились.
По результатам проведенной предварительной диагностики можно было предположить следующее:
- ошибка сборки: неправильно отрегулированы фазы газораспределения; перепутаны исполнительные узлы Vanos (на автомобиле проводились работы по замене маслосъёмных колпачков и цепей).
- механическая неисправность одного или нескольких исполнительных узлов Vanos.
Для продолжения диагностики был проведен динамический анализ работы двигателя. Все необходимые данные получались не через диагностический интерфейс, а непосредственно с соответствующих пинов DME. (На рис.1 изображена форма сигнала ДПРВ впуск, и инкрементное колесо впусного распредвала).
Рис. 1
Динамический анализ:
1 этап – оценка положения распределительных валов без управления, принудительная поочередная активация клапанов Vanos.
В процессе первого этапа было установлено: фазы газораспределения отрегулированы правильно (рис. 2); механических неисправностей исполнительных узлов Vanos нет, т.к. при активации впускные распредвалы первого и второго ряда поворачиваются на одинаковые углы (рис. 3).
* - Графики на рисунках 2, 3 не являются точными данными полученными в процессе динамического анализа. Они представляют собой пояснительные иллюстрации.
2 этап – работа двигателя в штатном режиме
При пуске двигателя распредвалы находятся в исходном положении относительно коленчатого вала. Положение распредвалов в данном случае рассматривается относительно ВМТ конца такта сжатия цил. 2 (рис. 4). Затем начинается активация клапанов Vanos со стороны DME. По мере увеличения скважности оба впускных распредвала начинает поворачиваться вперед относительно коленчатого вала, при этом впускной распредвал первого ряда немного отстает (это вероятно связано с повышенными утечками масла по исполинельному узлу Vanos 1). Затем при достижении впускным распредвалом второго ряда заданного положения скважность управления на клапане Vanos впуск 2 начинает снижаться и устанавливается на уровне 30%. Скважность управления на клапане Vanos впуск 1 остается на уровне 80%.
При таком избыточном управлении впускной распредвал первого ряда опережает впускной распредвал второго ряда и достигает крайнего положения; скважность управления на клапане Vanos впуск 1 продолжает оставаться на уровне 70-80% (рис.4, 5). Такое положение распредвалов сопровождается неравномерной работой двигателя, с явно выраженной пониженной эффективностью работы цилиндров 1-4.
На седьмой секунде работы двигателя DME распознает положение впускного распредвала первого ряда как несоответствующее заданному, снимается управление с клапанов Vanos, двигатель переходит в «аварийный» режим (рис. 6).
Оба впускных распредвала начинают возвращаться в исходное положение, причем впускной распредвал первого ряда поворачивается в сторону исходного положения быстрее (что подтверждает предположение о повышенных утечках масла по исполнительному узлу Vanos впуск 1) (рис. 6, 7). При возвращении обоих распределительных валов в исходное положение (рис. 7) неравномерная работа двигателя прекращается.
По результатам динамического анализа было сделано предположение, что причина неисправности – программный сбой в работе DME. Избыточная активацию клапана Vanos впуск 1 вызвана ошибкой блока управления двигателем в определении положения распределительного вала впускных клапанов первого ряда. Как следствие получаем неравномерную работу двигателя после запуска и переход в «аварийный» режим.
Проблему удалось решить полностью перепрограммировав блок управления двигателем (т.е.заменив полный дамп ДМЕ). Штатное обновление программного обеспечения (заливка данных) в такой ситуации не дает результатов.
3 Нарушение режима работы пьезо-электрических форсунок на дизеле BMW N47 с применением мобильного диагностического комплекса.
На BMW X3 (F25) с четырехцилиндровым дизельным двигателем N47 наблюдали необычную неисправность – в случае работы с высокой нагрузкой при выходе на среднюю частоту вращения двигатель быстро начинал терять мощность, ощущалась повышенная неравномерность работы – один или два цилиндра прекращали работу. При снижении нагрузки работа двигателя нормализовалась. Неисправность появилась после того, как на автомобиле был проведен SWAP. Однотурбинный N47 заменили на двухтурбинный с автомобиля X5 (F15). В процессе установки была заменена моторная коса и другая периферия двигателя.
При помощи штатного диагностического сканера Rheingold удавалось выяснить, в каких цилиндрах нарушался рабочий процесс, но причину этих нарушений была не ясна. При перестановке форсунок из отключающихся цилиндров в те, которые работали нормально, неисправность перемещалась за форсунками. При установке всех форсунок с заведомо исправного мотора, работа двигателя оставалась неизменной – под нагрузкой один или два цилиндра отключались.
Для анализа того, как происходит нарушение работы и выяснения причин нарушения к автомобилю был подключен Мобильный диагностический комплекс. Регистрировались сигналы датчиков коленчатого и распределительного валов, датчика давления в Rail, а также активирующие импульсы форсунок.
Для анализа был выбран режим стоп-теста, так как нарушение работы двигателя наблюдалось на этом режиме с хорошей повторяемостью.
На рисунке 1 представлен фрагмент, когда все цилиндры двигателя работают нормально, с одинаковой эффективностью. Изменение углового ускорения и частоты вращения коленчатого вала, как результата рабочего процесса, близки для каждого цилиндра двигателя. Давление в Rail после каждого впрыскивания падает на одинаковую для всех цилиндров величину. Этот фрагмент зарегистрирован через 1 – 2 секунды после начала стоп-теста.
Рис. 1. Фрагмент, отражающий нормальную работу двигателя
На этом двигателе установлены пьезоэлектрические форсунки, активируемые напряжением порядка 120 В. Для управления форсунками используется один общий верхний электронный ключ и четыре индивидуальных нижних электронных ключа. Когда блок управления активирует какую-либо форсунку, он открывает общий верхний ключ и, соответствующий форсунке, нижний. На рисунке 2 представлена схема подключения диагностического комплекса к топливным форсункам. В модуле, обозначенном, как «блок адаптации сигналов управления топливными форсунками» на рисунке изображено 2 делителя, на самом деле их 8, а задействуется столько, сколько топливных форсунок в диагностируемом двигателе. При открытии верхнего ключа, 120 В подается на вход всех четырех делителей, если нижний ключ закрыт, то в точке «а» будут те же 120 В. Если нижний ключ открывается и коммутирует отрицательную клемму форсунки на «массу», то в точке «а» будет половина – 60 В. Этим объясняется, почему напряжение, регистрируемое на активируемой форсунке в два раза ниже, чем на других, не работающих в этом цикле.
Рис. 2. Схема подключения диагностического комплекса к топливным форсункам для регистрации сигналов активации
На рисунке 3 представлен фрагмент работы двигателя, отражающий начало снижения эффективности работы первого цилиндра. Результатом рабочего процесса в первом цилиндре является снижение частоты вращения коленчатого вала. Следует также отметить уменьшенное снижение давления в Rail после активации форсунки первого цилиндра. Из этого можно сделать вывод, что снижение эффективности рабочего процесса в первом цилиндре вызвано сокращением количества подаваемого в него топлива. При анализе импульса, активирующего форсунку первого цилиндра, выясняется, что его продолжительность на 5 – 7 % больше, чем в других цилиндрах то есть блок управления «видит», что первый цилиндр работает с худшей эффективностью и увеличением продолжительности активирующего импульса пытается это компенсировать.
Рис. 3. Фрагмент, отражающий снижение эффективности работы первого цилиндра
На рисунке 4 представлен фрагмент работы двигателя со значительным снижением эффективности работы первого цилиндра. За период, соответствующий работе этого цилиндра, частота вращения коленчатого вала снижается приблизительно на 160 мин-1, что говорит об отсутствии сгорания в первом цилиндре.
Тот факт, что при подходе к ВМТ первого цилиндра угловое ускорение (замедление) коленчатого вала не отличается от ускорения при подходе к ВМТ других цилиндров, свидетельствует о том, что замедление коленчатого вала от сжатия во всех цилиндрах одинаковое, то есть потерь рабочего тела нет – компрессия не снижена. Анализ изменения давления топлива в Rail – отсутствие снижения давления после активации форсунки первого цилиндра – наводит на мысль, что, не смотря на увеличение продолжительности впрыскивания, топливо в первый цилиндр практически не подается.
Получается, что за 0,4 секунды или 20 оборотов коленчатого вала – разница между регистрацией первого и третьего фрагментов – работа форсунки первого цилиндра изменилась от нормальной до полного прекращения подачи топлива. Причем эти изменения оказываются обратимыми! Какой-то неучтенный фактор приводит к нарушению режима работы форсунки.
Рис. 4. Фрагмент, отражающий прекращение рабочего процесса в первом цилиндре.
После консультации с коллегами, мы пришли к выводу, что возможной причиной прекращения работы форсунок может быть слишком низкое давление в магистрали, отводящей топливо из управляющей камеры форсунки. Для нормальной работы таких форсунок в сливной магистрали должно быть давление порядка давления подкачки (около 6 бар). При меньшем давлении перемещения элементов управления форсунки приводят к нарушению сплошности топлива – его кавитационному закипанию.
То, что нарушение работы происходит не во всех цилиндрах, а только в некоторых, свидетельствует не о исправности или неисправности части форсунок, а о том, что в одних форсунках кавитация наступает раньше, в других позже.
Как выяснилось, при замене двигателя топливопроводы также были подвергнуты некоторой доработке, и слив с форсунок был организован непосредственно в топливный бак, а должен быть подключен к магистрали предварительного давления.
Из положения вышли установив клапан - регулятор давления слива от какого то лендровера, что полностью нормализовало работу двигателя.
Авторы: Александров А.В. Конюшков Д. Долгов И. Душкин П. при участии магистров каф. ТиАТД Цориев А. Оранжевый Т.
4 Диагностика переобогащения ТВС на бензиновом моторе с турбо-наддувом с записью логов с помощью ELM 327.
Автомобиль F10 с двигателем N20B20. Ошибки: 1) воздушная масса слишком большая 2) слишком богатая смесь.
В процессе тестовой поездки с диагностическим оборудованием выяснилось, что ошибка "слишком большая воздушная масса" появляется после движения на малых оборотах с полной нагрузкой (разгон в режиме "газ в пол" на высшей передаче со скорости примерно 40-50 км/ч.), при этом топливные коррекции достигают значений -20...-25%.
Пробная замена расходомера - никаких изменений.
Далее были произведены две контрольные поездки с регистрацией и последующим анализом рабочих праметров двигателя: на этом же автомобиле и на еще одном F10 c N20B20 - заведомо исправном.
Вот результаты :
Это заезд на "сломанном" автомобиле:
А это на исправном:
Разберем результаты:
Получается, что при разгоне на интересующем нас режиме (полная нагрузка и малые обороты) у "сломанного" (рис. 1) автомобиля расход воздуха в среднем на 10-12 г/сек ( а это 36-43 кг/час) больше чем у исправного (рис.2) , а давление во впускном коллекторе практически не отличается. При этом видно, что для обеспечения заданного давления в коллекторе на "сломанном" автомобиле дроссельная заслонка открывается на большие углы: исправный автомобиль - около 80%, "сломанный" - около 90%.
Из этого был сделан вывод, что есть какой-то дополнительный расход (негерметичность впускного тракта между турбиной и коллектором) , и при этом производительности турбины хватает на обеспечение заданного давления наддува (то-есть "дырка на улицу" не очень большая).
Так и оказалось: отсутствовало уплотнительное кольцо пайпинга интеркулер-дроссельная заслонка.
Участвовали студенты каф. ТиАТД МАДИ. Применялось интерфейсное устройство ELM 327 (обеспечивает чтение данных передаваемых ЭСУД ДВС в рамках протокола OBD2) и мобильный телефон для записи и сохранения данных.
5 Диагностирование пропусков воспламенения при увеличении степени сжатия.
Наблюдали автомобиль BMW E34 с двигателем М50tu. Неисправность. Пропуски воспламенения при резком нажатии на газ.
Изначально на исследуемом автомобиле был установлен двухлитровый двигатель, но после капитального ремонта его объем увеличился – туда установили коленчатый вал от М52В28. Рабочий объем при этом стал порядка 2,65 литра.
Увеличение рабочего объема привело к увеличению степени сжатия и у автомобиля, помимо увеличения мощности и ожидаемого перехода на 98 бензин, появился еще один неприятный артефакт. При нажатии на педаль газа, вместо бодрого разгона появились очень неприятные рывки. Подобные рывки наблюдаются при неисправности катушки зажигания или свечей. Владелец автомобиля катушки и свечи менял, но положительных изменений в работе двигателя не получил.
Имеющаяся у нас аппаратура позволяет регистрировать параметры работы ДВС. Так как провалы проявлялись не только в движении, но и при резком открытии дросселя на месте, мы регистрировали работу двигателя в режиме свободного разгона. Фрагмент одного из таких разгонов представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Фрагмент свободного разгона ДВС с пропуском воспламенения в 6-м цилиндре из-за отсутствия индуктивной фазы высоковольтного импульса .
Такие пропуски воспламенения наблюдались не на каждом разгоне, иногда двигатель работал нормально, но иногда в процессе одного разгона пропуски наблюдались в нескольких цилиндрах. Проанализировав несколько разгонов, мы обнаружили, что пропуски случаются во всех цилиндрах. Причиной пропуска являлись аномальные высоковольтные импульсы – в них отсутствовала индуктивная фаза разряда. Подобные импульсы наблюдаются при неисправных катушках зажигания или повышенном зазоре между электродами свечей зажигания. Энергии, запасенной в магнитном поле катушки, недостаточно для поддержания горения дуги между электродами свечи зажигания при неблагоприятных условиях. На рисунке 2 представлены нормальный и аномальный импульсы зажигания.
Рис. 2. Нормальный и аномальный высоковольтные импульсы
Можно отметить наличие относительно широкого – порядка 100 мкс - «стола» на вершине емкостной части высоковольтного импульса. При этом у нормального импульса «стол» практически отсутствует.
Из этого можно делать вывод, что при достижении пробивного напряжения, генерируемого катушкой тока недостаточно для образования стабильного дугового разряда при данных условиях.
Учитывая увеличенную степень сжатия – компрессия в данном двигателе составляет порядка 15 бар – логично предположить, что штатные катушки зажигания не могут обеспечить стабильное горение дугового разряда при штатном зазоре (порядка 1 мм) между электродами свечи зажигания. Когда зазор уменьшили до 0,5 – 0,6 мм пропуски воспламенения при резком нажатии на педаль газа исчезли, но зато появились при работе на холостом ходу. Это иллюстрирует рисунок 3.
Рис. 3. Пропуски воспламенения при работе на холостом ходу.
Такие пропуски воспламенения не сопровождаются аномальными высоковольтными импульсами. Они объясняются тем, что при работе двигателя на холостом ходу концентрация реагирующих компонентов (углеводородов и кислорода) весьма низкая и воспламеняемость смеси плохая. В таких условиях дуговой разряд, горящий в уменьшенном искровом промежутке, не обеспечивает гарантированного воспламенения топливовоздушной смеси. В данном случае один пропуск происходит за 5 – 10 секунд работы двигателя.
С подобными неисправностями мы регулярно встречаемся. Обычно они вызваны неаккуратной заменой свечей зажигания, когда механик не контролирует зазор в устанавливаемых свечах, или, бросая свечи в колодец, сам вызывает подгибание бокового электрода. Наиболее остро такая неисправность проявляется на повышенных оборотах холостого хода - 1400 – 2000 мин-1. Это объясняется тем, что на таком режиме система управления устанавливает достаточно ранний (25 - 30°) УОЗ. Такой угол является оптимальным с точки зрения экономики, поэтому и давление во впуском коллекторе оказывается ниже, чем при работе на холостом ходу. Кроме того, при таком УОЗ, надпоршневой объем еще значительно больше объема камеры сгорания, это дополнительный фактор, снижающий давление в цилиндре в момент прохождения искровой разряда.
6 Уменьшение расхода масла на двигателе BMW N52
Известная проблема повышенного расхода масла на двигателях N 52 (особенно 2,5 л) обычно вызвана нарушением функциональности маслосъемного кольца (сказы про то, что МСК влияют на расход масла для N 52, это миф) . Повышение расхода масла обычно происходит из-за недостаточного дренирования масла в зоне маслосъемного кольца вследствие коксования его сепаратора и недостаточной дренажной способности системы кольцо-поршень. Кольцо малогабаритное, имеет высоту 2 мм и состоит из 2х стальных колец и сепаратора. Дренирование снятого со стенок цилиндра масла происходит, в т.ч., через отверстия в стенке поршня, расположенного в канавке этого кольца. Перед сборкой двигателя (когда поршень в руках) мы решили попробовать выполнить дополнительные дренажные отверстия. Для двигателей 2,3 и 2,5 статистика положительная.
Раскоксовка двигателя паром 5% водяным раствором перекиси водорода.
С той же целью, но без хирургии, была опробована (не нами разработанная) технология восстановления способности дренирования маслосъемного кольца. Опытный образец двигатель BMW N46.
А вот и N46. Результат положительный
В испытаниях и разработке технологического процесса принимали участие студенты каф. ТиАТД и аспирант кафедры Николаев Д.С.
7 Оценка фазировки газо-распределительного механизма при помощи индицирования.
В последнее время широкое распространение получили датчики давления, которые устанавливаются в цилиндр двигателя вместо свечи зажигания. Такой датчик подключается к осциллографу, и, по версии производящей компании, обеспечивает широкий функционал «диагностического комплекса». Но контроль давления в цилиндре без воспламенения ТВС не всегда дает достаточной для диагностики информации. При помощи датчиков без воспламенения можно измерять компрессию, на различных скоростных режимах, и приближенно контролировать фазы газораспределения. Но определение моментов открытия и закрытия клапанов не позволяет оценить адекватность фаз газораспределения. Сервисная информация содержит описание процедуры установки фаз газораспределения при помощи специальных приспособлений, но там нет данных об углах открытия и закрытия клапанов (эту информацию необходимо получать экспериментально для каждого двигателя). Помимо этого, управление ДВС с отключенным цилиндром – управление в аварийном режиме – значительно отличается от нормального управления. Процессы газообмена с воспламением и без также сильно различаются.
В процессе разработки датчиков давления в цилиндре, совмещенных со свечами зажигания, мы наблюдаем значительные отличия процессов газообмена при наличии или отсутствии воспламенения. При работе на полном дросселе в двигателе было выключено зажигание, и на рисунке 1 приведены процессы газообмена в двух последовательных циклах – с воспламенением и без воспламенения.
Рис. 1. Процессы газообмена в цикле с воспламенением и без воспламенения; двигатель «Ока», n=5700 мин-1, ДЗ – 100%
В цикле без воспламенения рабочий ход заканчивается при том же давлении, что и начиналось сжатие, свободный выпуск при этом отсутствует. Как следствие, в конце выпуска давление в цилиндре увеличивается до трех бар. Если при этом оценивать расход воздуха через двигатель, то он существенно падает – при впуске сначала расширяются газы, оставшиеся в цилиндре от предыдущего цикла, а потом начинает поступать свежая смесь.
На следующем рисунке 2 приведен газообмен в цикле с воспламенением, но в конце выпуска также наблюдается подъем давления. В данном случае это вызвано нарушением фаз газораспределения – распределительный вал повернут вперед на один «зуб», что соответствует 17° ПКВ. Из-за этого выпускной клапан раньше открывается, но и раньше закрывается. Слишком раннее закрытие выпускного клапана, хотя и не в такой степени, как отсутствие воспламенения, приводит к повышению давления в конце выпуска. Приведенные примеры показывают, что для полноценного контроля оптимальности фаз газораспределения необходим датчик давления, совмещенный со свечей зажигания.
Рис. 2. Газообмен в цикле со смещенными фазами газораспре деления – распределительный вал повернут вперед( по ходу вращения КВ ДВС) на 17° ПКВ; двигатель «Ока», n=5500 мин-1, ДЗ – 100%
При проведении вышеописанных испытаний применялись датчики давления и диагностический комплекс, разработанные в ХНПЛ ДВС МАДИ.
Еще один практический пример применения методики индицирования процесса газообмена
8 Неисправность привода впускных клапанов двигателя BMW N52 3,0. Неровная работа на хх. Нестабильный состав ТВС на стационарном режиме холостого хода.
Как может проявляться нарушение передаточной функции в механизме Valvetronic. (речь о Valvtronic BMW N52)
Рассматриваем автомобиль BMW X-5 E70 2008 года выпуска с двигателем N52. Симптом. В режиме Valvetronic на малых нагрузках и холостом ходу двигатель работал нестабильно, а в аварийном режиме, когда впускные клапана имеют максимальный ход и дезактивирована система Vanos (то есть N52 превращается в старый-добрый М50) двигатель работал совершенно нормально. Несколько слов о том, что значит «нестабильно». Во-первых, при запуске, прогретый двигатель глох, если его не успевали «поймать» педалью «газа». После такого удачного запуска, педаль «газа» можно было потихоньку отпустить, двигатель при этом имел повышенную неплавность хода (первый цилиндр имел повышенную эффективность, четвёртый – пониженную), обороты «плавали», двигатель работал на переобогащенной смеси и мог заглохнуть. В ЗУ неисправностей при этом имелась запись «Измеренный расход воздуха слишком мал», статус неисправности - «имеется в настоящий момент».
Расход воздуха при этом составлял порядка 15 кг/час, что нормально для такого двигателя при работе на холостом ходу. Следовательно, генерация такой неисправности вызывается тем, что расход воздуха, регистрируемого MAF, слишком мал при сопоставлении с другим параметром – положением эксцентрикового вала системы Valvetronic. В опции «Диагностические запросы» положение эксцентрикового вала постоянно менялось в диапазоне 45 – 55 градусов. В норме для таких двигателей 35 – 40 градусов, без резких изменений. При анализе коррекций состава ТВС, можно отметить, что в Bank1 (1-2-3 цилиндры) топлива подавалось больше, чем в Bank2 (4-5-6 цилиндры). Если учитывать, что задача λ-регулирования поддерживать стехиометрический состав ТВС, то из этого следует, что в режиме Valvetronic и воздуха в 1-2-3 цилиндры подавалось больше, чем 4-5-6 цилиндры. Это коррелирует с имеющейся повышенной неплавностью работы ДВС. Если учесть, что при переводе системы Valvetronic в аварийный режим, работа двигателя нормализуется (исчезает и повышенная неплавность, и перекос коррекций ТВС, и переобогащенная смесь), то неисправность следует искать именно в этой системе.
Теперь скажем несколько слов о системе Valvetronic. Эта система позволяет менять наполнение цилиндров рабочей смесью не за счет дросселирования потока – снижения давления во впускном коллекторе, а за счет изменения времени – сечения открытия впускных клапанов, давление во впускном коллекторе при этом близко к атмосферному. Изменение хода впускных клапанов при различном положении эксцентрикового вала представлено на рисунке 1.
Эта система позволяет снизить потери работы на газообмен при работе двигателя на частичных нагрузках. Если при традиционной схеме организации газообмена на впуске поршень проходит путь от ВМТ к НМТ при постоянном разрежении, то в системе Valvetronic заданное разряжение получается только к моменту достижения поршнем НМТ, а начинает движение вниз поршень при атмосферном давлении. На частичных нагрузках впускные клапана открываются на малую высоту и малый угловой промежуток. Чем меньше должно быть наполнение, тем раньше закрываются впускные клапана.
Рис. 1. График зависимости высоты подъема клапана от угла поворота коленчатого вала при различном положении эксцентрикового вала системы Valvetronic.
Обеспечивается это за счет введения в размерную цепь привода впускных клапанов двух дополнительных звеньев – эксцентрикового вала и промежуточного рычага. Кулачек распределительного вала взаимодействует не с рокером, а с промежуточным рычагом, один конец которого опирается на эксцентриковый вал, а другой – на рокер. В зависимости от положения эксцентрикового вала промежуточный рычаг, при набегании на него кулачка распределительного вала, на большую или меньшую величину перемещает рокер, а тот в свою очередь клапан. Проворачивается эксцентриковый вал при помощи электродвигателя через червячный редуктор. На валу двигателя находится червяк, на эксцентриковом валу – фрагмент червячного колеса. Контроль положения эксцентрикового вала осуществляется при помощи специального датчика. Схема работы системы Valvetronic представлена на рисунке 2.
Наличие системы Valvetronic не исключает наличия EML. Электронный дроссель на всех режимах, кроме режима максимальной мощности, поддерживает во впускном коллекторе разрежение 50 мбар. Это нужно для осуществления принудительной вентиляции картера. В случае неисправности некоторых датчиков и систем, система Valvetronic переходит в аварийный режим – электромотор устанавливает эксцентриковый вал в положение, соответствующее максимальному ходу впускных клапанов и наполнение цилиндров регулируется дроссельной заслонкой.
То, что во впускном коллекторе практически отсутствует вакуум, приводит к необходимости устанавливать на двигателе N52 специальный вакуумный насос.
Аналогичные вакуумные насосы устанавливаются на дизельных двигателях. Это позволяет использовать традиционные вакуумные усилители тормозной системы.
Рис. 2. Принципиальная схема работы системы Valvetronic.
Перед тем, как снимать клапанную крышку, было решено объективно оценить эффективность работы цилиндров при отключенной системе Valvetronic, отсутствии коррекций ТВС и малом ходе впускных клапанов. Конструкция электродвигателя привода эксцентрикового вала позволяет при снятии электрического разъёма вращать его вручную, тем самым изменяя ход впускных клапанов. Вручную эксцентриковый вал был переведен в положение, соответствующее исправному двигателю (35 градусов). Итоги регистрации работы ДВС при ходе впускных клапанов, соответствующему режиму холостого хода, представлены на следующем рисунке.
Рис. 3. Частота вращения и угловое ускорение коленчатого вала.
Первый цилиндр имеет наилучшую эффективность, четвертый – наихудшею. Далее мы решили сосредоточиться на анализе состояния механической части системы Valvetronic.
При анализе состояния деталей после снятия клапанной крышки, бросилось в глаза то, что между опорными шейками впускного распределительного вала и их постелями имеется значительный зазор, в который можно было поместить щуп 0,1 мм. Как видно из кинематики механизма, кулачки распределительного вала действуют на промежуточные рычаги, а они, в свою очередь, противодействуют, смещая распределительный вал вправо (сила действия равна силе противодействия).
При анализе состояния крышек постелей распределительного вала мы констатировали, что их долго и упорно чинили, и в результате ремонтных воздействий, совмещенных с износом, они препятствовали только полному выпадению вала из постелей, но дали ему излишнюю свободу в радиальном направлении. При смещении распределительного вала в сторону, указанную стрелкой, ход клапанов уменьшится на величину, близкую величине смещения. Это объясняет факт, почему при работе на холостом ходу положение эксцентрикового вала существенно отличалось нормы для этих двигателей. Первая крышка оказалась наименее доработанной, что и объясняло повышенную эффективность работы первого цилиндра.
Вообще считается, что крышки постелей распределительных валов (также, как и коленчатых) не взаимозаменяемы. В данном случае следование этому правилу означало бы замену головки блока цилиндров, так как она является второй частью постели. Но концерн BMW делает свои детали с очень малым разбросом, поэтому мы решили поставить эти крышки с другой ГБЦ, которая имела трещину из водяной рубашки в камеру сгорания.
После установки новых крышек, зазор между опорными шейками вала и пастелями со стороны ГБЦ ушел. То есть вал сместился влево, в сторону действия кулачка, и при одном и том же положении эксцентрикового вала, клапана стали открываться больше. Замена крышек не препятствовала свободному вращению распределительного вала. Работа двигателя на холостом ходу в режиме Valvetronic нормализовалась.
В описательной и исследовательской части диагностических работ участвовали студенты группы 4БДВС в 2016 году.
9 Диагностика пропусков воспламенения на прогреве с использованием индицирования.
В представленной статье рассмотрим нарушение работы ДВС при не характерной неисправности гидравлических толкателей – слишком медленное уменьшение их размера. При прогреве клапана, особенно выпускные, быстрее всего нагреваются, а следовательно удлиняются. Гидравлические толкатели при этом должны уменьшить свою длину. Но толкатели с отложениями лака и заполненные холодным, густым маслом не успевают компенсировать удлинение нагревающихся клапанов. В результате через 20 – 30 секунд после запуска холодного двигателя, равномерность его работы нарушается из-за снижения компрессии в некоторых цилиндрах. СУ регистрирует значительное снижение эффективности работы этих цилиндров, заносит в ЗУ неисправностей неисправность «Пропуски воспламенения» и отключает подачу топлива в соответствующий цилиндр. При перезапуске двигателя подача топлива в этот цилиндр включается, но затем опять может быть отключена, и так до полного прогрева двигателя. Чтобы подтвердить предположение, что отключение цилиндров вызвано нарушением работы гидравлических толкателей, в цилиндр, в котором регистрировались такие отключения, был установлен датчик давления, совмещенный со свечей зажигания.
На следующем рисунке представлены индикаторные диаграммы в третьем цилиндре шестицилиндрового двигателя М54. Черный цвет - давление через 5 секунд после запуска холодного двигателя, красный – через 30 секунд.
Так как на холостом ходу двигатель работает с УОЗ близким к нулю, сгорание не влияет на давление газов в ВМТ. При аналогичном давлении на впуске и начале сжатия, в конце сжатия давление в фрагменте, зарегистрированном через 30 секунд после запуска, оказалось значительно ниже и смесь горела медленнее. Соответствующее снижение эффективности работы третьего цилиндра отмечается и на графике частоты вращения. Установка в цилиндр датчика давления позволила подтвердить верность предположения, что пропуски воспламенения на стадии прогрева вызываются неисправными гидравлическими толкателями.
Следует отметить, что традиционный замер компрессии результата не даст – пока будет выкручиваться свеча и вкручиваться компрессометр, температура клапанов и головки блока выровняются, и клапана полностью закроются.
Теперь посмотрим на следующий рисунок. Там при большем давлении конца сжатия наблюдается уменьшенная скорость сгорания и снижение эффективности (снижение частоты вращения при рабочем процессе). При работе на холостом ходу с заданной частотой вращения необходимое для этого количество ТВС зависит от эффективности протекания рабочего процесса.
В данном случае при обогащении ТВС эффективность работы значительно повышается. Соответственно, количество ТВС, требуемое для поддержания заданной частоты вращения требуется меньше, поэтому снижается и давление во впускном коллекторе (линия впуска) и давление конца сжатия.
Представленный выше пример механической неисправности клапанного механизма ПДВС рассматривается в рамках лабораторного практикума по теме эксплуатация ДВС. В описательной и исследовательской части принимали участие студенты гр. ДВС каф. ТиАТД Захаров И. и Козлов В. в 1999 году.
