Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 52 Слащук В.О., Слащук О.О. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: Slashchuk_Viktor@ukr.net АКУСТО - ЕМІСІЙНИЙ АНАЛІЗ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ РОБОТИ ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ УДК 621.8:534.6:534.4 Методом акусто-емісійного аналізу діагностовано перехідні та ненормативні режими роботи двигунів внут- рішнього згорання двох типів, що широко застосовуються в автомобілебудуванні. Показано, що первинною причи- ною виникнення вібрацій при нестаціонарній роботі двигуна внутрішнього згорання є порушення процесу запалення та(або) стиснення запалювальної суміші в циліндрах двигуна. Рівень вібрацій такого походження значно перевищує вібрації викликанні незбалансованістю роторних елементів двигуна. Ключові слова: акустична емісія, частота коливань, вібрація. Вступ Одним із найнебезпечніших факторів, що пришвидшують зношування рухомих та нерухомих з’єднань є вібрації, що виникають при експлуатації обладнання, що працюють в умовах змінних цикліч- них навантажень [1]. Автомобільний двигун являє собою складну динамічну технічну систему. Конструкція автомобільного двигуна постійно удосконалюється і ускладнюється, але перелік його основних систем і механізмів залишається незмінним [2]. При роботі транспортних засобів з двигунами роторного типу, для прикладу двигуни внутрішнього згоряння, можуть виникати вібрації джерелом яких найчастіше вважа- ються не урівноваження роторів [3, 4]. Альтернативною причиною виникнення неузгоджених вібрацій є спалювання запалювальної су- міші в циліндрах двигуна, оскільки маловірогідна деформація чи пошкодження рухомих елементів дви- гуна, які можуть призвести до подібних вібрацій і забезпечити справну роботу. Запальні процеси викликають вібраційні хвилі, що передаються від двигуна до усіх елементів конструкції. Варто зазначити, що вібрація, що виникає в двигуні, є вибухового(ударного) виду, тому до- цільно використовувати для реєстрації даних обладнання, здатне проводити аналіз в режимі реального часу. Акусто-емісійний метод широко застосовується в аналізі автомобільних двигунів внутрішнього згорання, турбогенераторів, відцентрових насосів та компресорів, зубчастих передач тощо [5, 6]. Найбільш небезпечними при експлуатації конструкцій із двигуном внутрішнього згоряння є пе- рехідні процеси, наприклад запуск, зупинка, збільшення потужності тощо. Такі режими змінюють часто- ту хвилі і ,тим самим, інтенсифікують процес зношування поверхонь кріплень. Метою роботи є встановлення реальних причин та механізмів ненормативних вібрацій при робо- ті двигуна внутрішнього згорання. Викладення основного матеріалу Дослідження проводились із дизельним двигуном об’ємом 1,9 л TDI з системою вприску палива з насос-форсунками, автомобіля Volkswagen Caddy та бензиновим двигуном об’ємом 1,2 л, автомобіля ЗАЗ-1102 Таврія. Обидва автомобіля обладнані чотирьох циліндровими рядними двигунами з порядком запалювання циліндрів 1 - 3 - 4 - 2 [7 - 9]. Акустично - емісійний метод дозволив отримати акустограми роботи двигуна автомобілів та спе- ктри частот коливань, які виникають при вибухах в циліндрах і передаються до всіх елементів конструк- ції автомобіля. Данні записувались за допомогою мікрофона Media-tech SFX microphone MT383. Обробка даних здійснювалась програмою Audacity 2.0.4. Загальні акустограми роботи двигунів показані на рис. 1. а Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 53 б Рис. 1 – Загальні акустограми роботи двигунів: а – дизельний двигун 1,9 л. TDI; б – бензиновий двигун 1,2 л. ЗАЗ-1102 Найнебезпечнішим етапом роботи двигуна 1,9 TDI є запуск. Механічна система переходить зі сталого статичного стану в робочий, при цьому відбувається різкий перехід вибухоподібного типу. Віб- рація, яка виникає при роботі двигуна, передається по всьому автомобілю. На рис. 2 показана акустогра- ма запуску двигуна 1,9 TDI. Рис. 2 – Акустограма запуску двигуна 1,9 TDI Ділянка 1 на рис. 2 – робота стартера двигуна, ділянка 2 – запуск двигуна, стартові вибухи запа- льної суміші в циліндрах, ділянка 3 – нестаціонарний режим роботи двигуна при старті, частоти коли- вань не прийшли до нормативної роботи, ділянка 4 – стабільна робота двигуна. Інший нестаціонарним режимом роботи є зупинка двигуна, акустограма зупинки двигуна 1,9 TDI показана на рис. 3. Рис. 3 – Акустограма зупинки двигуна 1,9 TDI Ділянка 1 на рис. 3 – стабільна робота двигуна, ділянка 2 – вимкнення двигуна, запальна суміш не поступає в циліндри, згасаючі вібрації при відсутності джерела коливань, ділянка 3 – завершальний етап роботи двигуна, вимкнення електронних систем, підготовка до наступного старту. Аналогічні процеси спостерігаються при роботі бензинового двигуна 1,2 1102. На рис. 4 показа- на акустограма процесу запуску двигуна 1,2 ЗАЗ-1102. Ділянка 1 на рис. 4 – провертання ключа в замку запалювання, запуск робочих систем автомобі- ля, ділянка 2 – робота стартера двигуна, ділянка 3 – запалювання двигуна, запальна суміш почала вибу- хати в циліндрах, ділянка 4 – нестаціонарна робота двигуна при запалюванні, коливання двигуна не ви- йшли в нормативну роботу, ділянка 5 – стабільна робота двигуна. Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 54 Рис. 4 – Акусторгама запуску двигуна 1,2 ЗАЗ-1102 На рис. 5 показана акустограма вимкнення двигуна 1,2 ЗАЗ-1102. Рис. 5 – Акустограма вимкнення двигуна 1,2 ЗАЗ-1102 Ділянка 1 на рис. 5 – стабільна робота двигуна, ділянка 2 – вимкнення двигуна, нестаціонарні, затухаючі коливання двигуна, ділянка 3 – коливання інших конструкційних елементів автомобіля, ділян- ка 4 – завершальний етап роботи двигуна, вимкнення електричних систем, підготовка до наступного старту. Процес старту викликає найбільші нестаціонарні вібрації але цей процес займає незначний пері- од часу і не є критичним при правильній експлуатації двигуна та його належного стану. Перехідні процеси присутні при збільшені потужності двигуна, тобто при натисненні на педаль акселератора. Акустограма такоко процесу показана на рис. 6. а б Рис. 6 – Акустограма перехідних процесів: а – режим «прогазовки» двигуна 1,9 TDI; б – режим «прогазовки» двигуна 1,2 ЗАЗ-1102 Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 55 Ділянка 1 на рис. 6 – перехідний режим роботи двигуна при збільшені обертів, ділянка 2 – стаціонарний режим роботи двигуна з максимальною потужністю, ділянка 3 – перехідний режим ро- боти при зменшенні обертів. Ненормативні процеси можуть виникати при стабільній роботі двигуна, коли двигун працює і виникають аварійні ситуації в процесі робочого циклу циліндрів. На рис. 7 показана акустограма стабільної роботи двигуна 1,9 TDI, як приклад стабільної роботи. Рис. 7 – Акустограма стабільної роботи двигуна 1,9 TDI Ділянка 1 на рис. 7 – стиснення та запалювання запалювальної суміші в циліндрі, ділянка 2 – оберт колінчастого вала, ділянка 3 – оберт розподільчого вала двигуна. На рис. 8 показана робота двигуна 1,2 л. ЗАЗ-1102 із перебоями в роботі. а б Рис. 8 – Робота двигуна ЗАЗ-1102 із перебоями в роботі: а – втрата компресії в циліндрах двигуна 1,2 л. ЗАЗ-1102; б – каскадна (лавиноподібна) втрата потужності в двигуні 1,2 л. ЗАЗ-1102 Збої в роботі циклів двигуна призводять до нестаціонарних процесів, які в свою чергу, призво- дять до зміни частоти коливань, що призводить до руйнування кріплень, або інтенсифікації їх зношування. Циклічне повторення нестаціонарного режиму роботи двигуна внутрішнього згорання виявляє пошкодження одного з циліндрів. Зовнішній вигляд цього сигналу (рис. 8) характерний для процесу який Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 56 виникає в циліндрі зі зменшеною компресією. Причиною виникнення нестаціонарного процесу, показа- ного на рисунку 8 може бути порушення герметизації камери внутрішнього згорання (тріщина ущіль- нюючого матеріалу, тріщина блоку циліндра, поршневої кришки, самого поршня) [10]. При значних змінах в роботі циліндрів виникають лавиноподібні збої, що призводить до рапто- вої втрати потужності і неможливості продовжувати роботу, двигун зупиняється. Різка зупинка, після не- стаціонарного режиму роботи, також призводить до зміни частоти коливань і вносить зміни в режим зношування з’єднань. На рис. 9 показаний спектр роботи дизельного двигуна 1,9 л. TDI. Рис. 9 – Спектр стабільної роботи двигуна При стабільній роботі чітко видно частоту вибухів запальної суміші в циліндрах – ділянка 1 та частоту обертання колінчастого вала двигуна – ділянка 2. Прослідковуються чіткі каскади передачі енер- гії від джерела вібрацій. На рис. 10 показаний спектр нестаціонарної роботи двигуна 1,2 л. ЗАЗ-1102. Рис. 10 – Спектр ненормативної роботи двигуна Нестаціонарні процеси роботи не дають чітких частот коливань, що призводить до хаотичних ві- брації і руйнування елементів двигуна та всіх інших деталей та кріплень автомобіля. Висновки За допомогою акусто-емісійного методу вдалося проаналізувати всю роботу двигунів, визначити робочі частоти, виявити та виокремити нестаціонарні процеси та визначити їх вплив на загальну роботу автомобіля. Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 57 Первинною причиною виникнення вібрацій при нестаціонарній роботі двигуна внутрішнього згорання все-таки є порушення процесу запалення та(або) стиснення запалювальної суміші в циліндрах двигуна. Література 1. Вельбой В. П., Диха К. О., Бабак О. П. Аналіз умов навантаження та змащення підшипникових систем ковзання механізмів газорозподілу ДВЗ // Проблеми трибології (Problem Of Tribology) 2016. – № 2 – С. 97-103. 2. Кукурудзяк Ю. Ю. Система моніторингу технічного стану автомобільного двигуна // Матеріа- ли VIІІ міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні технології та перспективи розвитку авто- мобільного транспорту”ю – 2015. – С. 138-139. 3.Урівноважування обертових мас (роторів). – http://mmi - dmm.kpi.ua /images/pdf/ personnel / Zakhov / LERCYI/Lec_9.pdf. 4. Сотніков В. С. Динаміка роторів з автобалансирами-демпферами для віброзахисту. Дис. кан. тех. наук: 05.02.09 Кіровоградський національний технічний університет. – Кіровоград. – 2002. – С. 49-57. 5. Двигатель 1,9 л TDI с системой впрыска топлива с насос-форсунками. – Volkswagen Technical Site: http://volkswagen.msk.ru. 6. VW Caddy с 2010 года выпуска. Руководство по ремонту и эксплуатации. “Монолит”, Днепро- петровск, 2012. 7. Автомобили ЗАЗ 1102-1105 и их модификации. Руководство по ремонту и каталог деталей. “АТЛАСС-ПРЕСС”, Москва, 2005. 8.Віброакустична діагностика. – Технічна енциклопедія TechTrend: http://techtrend.com.ua/index.php?newsid=303. 9. Антонець Є.В.; Конюхов Г.А.; Нікітін К.Е.; Сазанів B.E. «Спосіб діагностування та прогнозу- вання технічного стану двигунів внутрішнього згоряння в процесі їх роботи» Патент РФ №2151384, МПК G01M 15/00, опубл. 2000.06.20, БІ №12 за 2003 р. 10. Компресія двигуна – які несправнеості можуть стати причиною його падіння. - http://avtogid.co.ua/remont/100-kompresia-dvigyna.html. Поступила в редакцію 03.10.2016 П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Акусто - емісійний аналіз перехідних процесів роботи двигуна внутрішнього згорання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 58 Slashchuk V. O. Slashchuk O. O. Acoustic-emission analysis unsteady work of combustion engine. Вy acoustic emission analysis diagnosed non-normative and transitional modes of work of internal combustion en- gines two types that are widely used in the automotive industry. It is shown that the primary cause of vibration at unsteady the engine work process is a violation of inflammation and (or) compression incendiary fuel mixture in the cylinders of the engine. Vibration level, what induce by combustion fuel mix ignition in the cylinders considerably exceeds the fluctuations that induce unbalanced rotary elements in the engine. Keywords: acoustic emission, oscillation frequency, vibration. References 1. Vel'boy V. P., Dykha K. O., Babak O. P. Analiz umov navantazhennya ta zmashchennya pidshyp- nykovykh system kovzannya mekhanizmiv hazorozpodilu DVZ. Problemy trybolohiyi (Problem Of Tribology) 2016, №2, st. 97-103. 2. Kukurudzyak Yu. Yu. Systema monitorynhu tekhnichnoho stanu avtomobil'noho dvyhuna // Materia- ly VIII mizhnarodnoyi naukovo-praktychnoyi konferentsiyi “Suchasni tekhnolohiyi ta perspektyvy rozvytku avto-mobil'noho transportu”, 2015 st. 138-139. 3.Urivnovazhuvannya obertovykh mas (rotoriv). – http://mmi-dmm.kpi.ua / images/pdf / personnel/ Zakhov /LERCYI/Lec_9.pdf. 4. Sotnikov V. S. Dynamika rotoriv z avtobalansyramy-dempferamy dlya vibrozakhystu. Dys. kan. tekh. nauk: 05.02.09 Kirovohrads'kyy natsional'nyy tekhnichnyy universytet. Kirovohrad 2002 rik st 49-57. 5. Dvyhatel' 1,9 l TDI s systemoy vprыska toplyva s nasos-forsunkamy. Volkswagen Technical Site: http://volkswagen.msk.ru. 6. VW Caddy s 2010 hoda vыpuska. Rukovodstvo po remontu y эkspluatatsyy. “Monolyt”, Dnepro- petrovsk, 2012. 7. Avtomobyly ZAZ 1102-1105 i ikh modyfykatsiy. Rukovodstvo po remontu y kataloh detaley. “ATLASS-PRESS”, Moskva, 2005. 8.Vibroakustychna diahnostyka. – Tekhnichna entsyklopediya TechTrend: http://techtrend.com.ua/index.php?newsid=303. 9. Antonets' Ye.V.; Konyukhov H.A.; Nikitin K.E.; Sazaniv B.E. «Sposib diahnostuvannya ta proh- nozu-vannya tekhnichnoho stanu dvyhuniv vnutrishn'oho z·horyannya v protsesi yikh roboty» Patent RF №2151384, MPK G01M 15/00, opubl. 2000.06.20, BI №12 za 2003 r. 10. Kompresiya dvyhuna – yaki nespravneosti mozhut' staty prychynoyu yoho padinnya. http://avtogid.co.ua/remont/100-kompresia-dvigyna.html.