2. Диагностирование технического состояния систем и узлов двигателя

В ДВС и моторном масле протекают сложные физические и химические процессы, с тесной взаимосвязью и взаимным влиянием друг на друга. Поэтому для успешного диагностирования технического состояния ДВС необходимо иметь представление о взаимосвязях между этими процессами с учетом трения, смазки, износа, физико – химических превращений в масле. К основным узлам и системам, обеспечивающим работу двигателя и функционально связанным с моторным маслом относятся:

-цилиндро–поршневая группа (ЦПГ);

-система очистки воздуха (СОВ);

-система очистки масла (СОМ);

-система охлаждения (СО);

-узлы трения (УТ) – подшипники коленчатого вала (ПКВ), пара кулачок распределительного вала – толкатель (КТ) клапана механизма газораспределения;

-топливоподающая система (СТ).

Ниже рассмотрены основные неисправности, характерные для данных узлов и отказов и соответствующие им изменения показателей свойств масел – диагностических параметров, показана сущность процессов, приводящих к возникновению.

Система очистки воздуха. На автомобилях, тракторах и другой технике, оснащенной двигателями ЯМЗ, КамАЗ как правило применяются воздухоочистители сухого типа с картонными фильтрующими элементами, имеющими высокую эффективность. В процессе эксплуатации надежность системы, заложенная при изготовлении, уменьшается. Вибрации, колебания температуры приводят к нарушению герметичности сварных соединений воздухопровода, вытяжке и ослаблению стяжных хомутов, старению и растрескиванию резиновых уплотнений и соединительных патрубков (рис.3). Негерметичность выпускного тракта может быть вызвана применением картонных фильтрующих элементов низкого качества и недостаточным их уплотнением в корпусе фильтра. Разрывы, сквозные отверстия в шторе фильтрующего элемента приводят к значительному увеличению коэффициента пропуска пыли.

Рис.3 Состояние элементов впускного тракта автомобиля БелАЗ-548 в эксплуатации

Абразивные пылевые частицы, поступая в цилиндр, в наибольшей степени изнашивают верхнюю часть гильзы, первое компрессионное кольцо и канавку поршня. Пыль, поступившая в цилиндры и затем попавшая в масло, изнашивает подшипники коленчатого вала в меньшей степени, чем деталей ЦПГ. Это связано с дроблением абразивных частиц в зазорах ЦПГ и удержанием крупных частиц фильтрами.

Содержание кремния в масле (элемент-индикатор пыли из воздуха) не зависит от времени работы масла. Поэтому, все значения концентрации кремния в пробах масла, взятых в любой период его работы, характеризует техническое состояние СОВ и ее негерметичность может быть выявлена с высокой степенью достоверности. На рис. 4 приведены кривые распределения содержания элементов – индикаторов износа в масле, характеризующих износ деталей ЦПГ (Fe, Al, Cr) двигателей ЯМЗ-238Ф автомобилей МАЗ-6422, работающих на междугородних перевозках грузов. Наглядно видно, что кроме повышенного содержания кремния в масле при разгерметизации впускного тракта существенно увеличивается и концентрация металлов-индикаторов износа ЦПГ (Fe, Cr, Al). Причем между содержанием этих элементов и содержанием кремния в масле существует тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции как правило составляет 0,7-0,9).

Рис.4 Распределение содержаний

Cr(1,1’), Al(2,2’),Pb(3,3’), Si(4,4’)

Fe (5,5’0 в пробах масла М-10Г₂к

при работе двигателей 8ЧН 13/14

с исправной (__) и неисправной

(---) системами очистки воздуха

[ 6 ].

Высокие значения корреляционных отношений для металлов-индикаторов ЦПГ свидетельствуют о наибольшем влиянии разгерметизации впускного тракта на износ гильз цилиндров, поршневых колец и канавок поршней. Несущественная корреляция между содержанием кремния, свинца и меди подтверждает меньшее влияние попадания пыли через цилиндры на износ подшипников коленчатого вала.

При относительно малом времени работы двигателя с негерметичным впускным трактом происходит лишь кратковременное повышение интенсивности изнашивания деталей ЦПГ без существенного ускорения старения масла. В то же время, длительная работа двигателя с такой неисправностью существенно ускоряет этот процесс и приводит к значительному изменению показателей масла (рис. 5). Даже после устранения негерметичности в этих случаях отмечается повышение скорости изнашивания деталей. Вызвано это в основном двумя причинами. Во-первых, в условиях эксплуатации не всегда после устранения дефекта заменяют моторное масло. Во-вторых, источником повышения изнашивания деталей являются впускные коллекторы и трубопроводы, расположенные после воздухоочистителя. На их внутренних поверхностях задерживаются частицы пыли, отслаивающиеся из-за вибрации и температурных колебаний и попадающие в цилиндры двигателя.

Рис.5 Изменения физико-химических

параметров масла М-10Г₂к от времени

работы двигателей с исправной (__)

и неисправной (---) системами очистки

воздуха [ 6 ].

Поэтому для устранения последствий работы с разгерметизированным впускным трактом необходимо заменить масло, очистить выпускные трубопроводы, расположенные после воздухоочистителя.

Диагностическим признаком неисправностей СОВ является одновременное увеличение содержания в масле кремния и продуктов износа ЦПГ. Ухудшение физико-химических показателей масла служит признаком длительной работы двигателя с неисправной системой.

При этом неисправности системы очистки воздуха выявляются с высокой достоверностью на ранней стадии их возникновения – до начала появления внешних признаков абразивного изнашивания в виде интенсивного роста расхода масла на угар (свыше 2 – 3 % от расхода топлива), повышенного дымления, выброса масла из сапуна, ухудшения тяговых качеств автомобиля и т.п.[ 6 ].

Цилиндро-поршневая группа. Работоспособность ЦПГ непосредственно связана с состоянием системы очистки воздуха. Как уже отмечалось, абразивные пылевые частицы при нарушении герметичности СОВ, поступая в цилиндр, в первую очередь изнашивает верхнюю часть гильзы, первое компрессионное кольцо и канавку поршня. Это приводит к нарушению уплотняющей способности кольцевого уплотнения и сопровождается увеличением расхода масла на угар. Ухудшаются также условия смазки и теплоотвода от деталей ЦПГ, усиливается нагарообразование в канавках поршня. Через некоторое время эти явления могут привести к натирам на гильзе и прижогам на кольцах.

Степень тяжести отказов этого узла зависит от уровня форсирования двигателя и условий его эксплуатации. Для высокофорсированных двигателей карьерных самосвалов преимущественным видом неисправностей являются задиры. Это обусловлено резкопеременным режимом работы двигателей, тяжелыми условиями работы масла, высокой запыленностью воздуха в карьерах. Натиры и задиры ЦПГ могут быть вызваны нарушением условий эксплуатации (перегрев двигателя) и некачественным ремонтом.

Задиры на деталях ЦПГ и их заедание вызывают интенсивное изнашивание гильз цилиндров, поршней и поршневых колец, которое сопровождается увеличением концентрации соответствующих металлов в масле. Так, в процессе диагностирования двигателя КамАЗ-740 автомобиля-самосвала КамАЗ-5511 вследствие нарушения теплового режима эксплуатации (перегрев двигателя) при пробеге 13747 км было зафиксировано увеличение концентрации железа, а при пробеге 24100 км произошел задир в одном из цилиндров (рис. 6). Задир сопровождался резким увеличением концентрации железа, алюминия и хрома (рис. 7).

Рис. 6 Вид поршня двигателя КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5511после задира вследствие перегрева.

Рис.7 Изменение концентрации

продуктов износа ЦПГ при задире

двигателя КаАЗ-740

Износ ЦПГ сопровождается значительным ускорением «старения» масла. Значительно выше интенсивность увеличения вязкости (в два раза и выше), с более высокой скоростью накапливаются нерастворимые осадки. Причем чем выше уровень форсировки двигателя и тяжелее условия его эксплуатации, тем с большей скоростью по мере износа ЦПГ происходит дальнейшее ухудшение свойств масла. Основным диагностическим признаком неисправного технического состояния ЦПГ служит повышение концентрации соответствующих продуктов износа, в первую очередь железа и алюминия. Вспомогательным признаком повышенного износа деталей ЦПГ является более интенсивное увеличение вязкости масла и накопление в нем загрязняющих примесей.

Подшипники коленчатого вала. Одной из основных причин выхода из строя вкладышей подшипников коленчатого вала из строя является попадание в подшипник твердых абразивных частиц относительно большого размера (стружка, технологическая грязь, песок, почвенная пыль и т.п.). Частицы, попадая в подшипник, образуют кольцевые риски на антифрикционном слое, способствуют уменьшению минимальной толщины масляного слоя, повышению температуры и короблению вкладышей, уменьшению их натяга в постелях. При образовании риски на поверхности вкладыша появляются пластически выдавленные канавки с навалами (выпучиванием) материала по бокам. Металл в навалах по сторонам царапины под воздействием возросших местных нагрузок может выкрашиваться, частицы металла защемляясь в паре способствуют задиру, а затем и провороту вкладышей. Абразивные частицы, попадая в подшипник, помимо изнашивания поверхности деталей, могут вызвать упругую деформацию поверхностного слоя вкладышей и местное возрастание температуры. Все это интенсифицирует процесс усталостного разрушения (растрескивания) антифрикционного слоя вкладышей и способствует их задиру и провороту.

С момента попадания абразивной частицы в подшипник до задира или проворота проходит определенный период, зависящий от размера и твердости абразивной частицы, материала и конструкции вкладышей, а также режимов работы и условий эксплуатации двигателя. Попадание абразивной частицы в подшипник и образование рисок на поверхности вкладышей сопровождается ростом концентрации металлов антифрикционного слоя и металла коленчатого вала (при образовании царапин на поверхности шейки вала). По мере развития повреждения вкладышей, скорость повышения концентрации металлов в масле постоянно увеличивается, вплоть до лавинообразной при задире или провороте. Характерный пример развития процесса показан на рис.8. При диагностировании двигателя КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5320 при пробеге 18 тыс. км было отмечено резкое увеличение концентрации свинца и меди. После замены масла и дальнейшей эксплуатации содержание металла снизилось до нормального уровня. Однако, начиная с пробега 61 тыс. км был зафиксирован новый рост концентрации свинца и меди, а также железа, что свидетельствовало о росте износа вкладышей и шеек коленчатого вала. Эксплуатация двигателя не была своевременно предотвращена (не производился осмотр вкладышей) и при пробеге 81 тыс. км произошел проворот вкладышей и задир шеек коленчатого вала . Как видно, процесс развития этого повреждения достаточно длительный (около 20 тыс. км пробега автомобиля), что позволяет его своевременно выявить и предотвратить.

Рис. 8 Изменение концентрации продуктов износа в масле в зависимости от пробега автомобиля КамАЗ-5320 до проворота вкладышей коленчатого вала. Двигатель КамАЗ-740. I – IV –смены масла.

Тяжелые условия эксплуатации ускоряют этот процесс. На рис. 9 показано изменение концентрации продуктов износа двигателя 6РА4 – 185 автомобиля БелАЗ-549, предшествующее задиру и провороту шатунных вкладышей. Дефект развивался на протяжении примерно 150 моточасов (около 2 тыс. км ).

Рис.9 Изменение концентрации продуктов износа в масле М-10ДМ, предшествующей провороту вкладышей коленчатого вала. Двигатель 6РА4-185.

Одной из причин попадания абразивных частиц в подшипники коленчатого вала является работа двигателя с открытым предохранительным клапаном масляного фильтра (со светящейся лампочкой сигнализации открытия клапана). В этом случае масло поступает в главную масляную магистраль, минуя фильтрующий элемент. Так, двигатели ЯМЗ-240Н карьерных самосвалов БелАЗ-548 эксплуатировались с этой неисправностью из-за того, что масляные фильтрующие элементы заменялись только при проведении технического обслуживания после прибытия автомобилей с линии. Нарушение правил эксплуатации привело к увеличению содержания в масле свинца до 25 х 10^-4 % - 40 х 10^-4 %, что свидетельствовало о повышенном износе вкладышей. При контрольном осмотре на вкладышах были обнаружены износ и кольцевые борозды.

Как правило, при повреждениях вкладышей наиболее интенсивно изменяется концентрация свинца, менее значительно меняется содержание меди. Это объясняется наличием верхнего свинцовистого слоя на вкладышах, а также тем, что при образовании глубоких рисок выкрашившиеся частицы антифрикционного слоя могут иметь крупные размеры (вплоть до видимой глазом стружки) и не попадать в зону дуги при спектральном анализе.

Опыт диагностирования автомобильных двигателей различных моделей показывает, что время от момента выхода концентрации меди и свинца за предельные значения до момента обнаружения неисправности (от нескольких тысяч километров до нескольких десятков тысяч) позволяет своевременно обнаружить и предотвратить аварийные неисправности подшипников коленчатого вала.

Газораспределительный механизм. Одним из отказов автомобильных двигателей является выход из строя пары «кулачок распредвала – толкатель клапана» (КТ). Наиболее распространенными видами повреждений этой пары трения являются натиры, кольцевые риски, наволакивание или усталостное выкрашивание металл (питтинг) на рабочих поверхностях толкателя и кулачка и повышенное их изнашивание. Эти повреждения могут быть следствием взаимного перекоса контактирующих поверхностей кулачка и толкателя из-за неточности изготовления или сборки, недостаточной смазки, неправильной регулировки теплового зазора «клапан – коромысло». Усталостному выкрашиванию металла – питтингу могут способствовать абразивные загрязнения, попавшие в масло. Повреждение рабочих поверхностей КТ сопровождается увеличением тепловых зазоров клапанов и приводит к нарушению фаз газораспределения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя.

Увеличение тепловых зазоров в клапанах из-за износа в паре КТ сопровождается скачкообразным ростом концентрации железа, а также хрома. Причем, увеличение тепловых зазоров отмечалось уже при концентрации железа, равной 20 х 10^-4 %. По мере развития износа происходит постепенное увеличение концентрации металлов-индикаторов или сохранение повышенного уровня в течение некоторого времени. Это связано с высокой твердостью рабочих поверхностей пары трения. По мере износа и выкрашивания закаленных слоев и непосредственного контактирования поверхностей с низкой твердостью происходит вторичное резкое увеличение концентрации металлов. В подобных случаях распределительные валы и толкатели становятся непригодными к дальнейшей эксплуатации. На рис.10 показано изменение концентрации металлов-индикаторов износа пары КТ двигателей КамАЗ-740 автомобилей КамАЗ-5410,КамАЗ-5320, характерное при развитии повреждений пары «кулачок-толкатель»

Рис.10 Накопление железа в маслепо мере развития повреждений пары «кулачок – толкатель» Двигатели КамАЗ-740. 1-5 – разные двигатели.

Система очистки масла. В процессе эксплуатации автомобильных и тракторных двигателей из-за применения несоответствующих расходных и эксплуатационных материалов, нарушений правил технического обслуживания наблюдаются неисправности агрегатов системы очистки масла, снижающие надежность работы двигателей. Это отслаивание крышек бумажных фильтрующих элементов (рис.13), открытие предохранительного клапана масляного фильтра из-за несвоевременной замены масла и фильтрующих элементов, не работает (отсутствуют отложения на роторе) центробежный фильтр из-за неправильной сборки при проведении техобслуживания. Неисправности агрегатов системы очистки масла сопровождаются значительным увеличением концентрации практически всех продуктов износа. Так, из-за отслаивания крышек фильтрующих элементов в двигателе КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5320 концентрация продуктов износа составила: Fe = 120 x 10-⁴%, Pb = 21 x 10^-4 %, Cu = 66 x 10^-4 %, Al = 28 x 10^-4 %, Cr = 76 x 10^-4 % при относительно невысокой концентрации кремния ( Si = 12 х 10^-4 %). Отказ центрифуги (отсутствие отложений в двигателе ЯМЗ-240Н автомобиля БелАЗ-548 сопровождался увеличением содержания продуктов износа до значительных величин: Fe = 81 x 10-⁴%, Pb = 33 x 10^-4 %, Сu = 27 x 10^-4 %, Al = 15 x 10^-4 %, Cr = 27 x 10^-4 % также при невысоком содержании кремния.

При отказах системы очистки масла наблюдается также интенсивное старение масла. Наиболее значительно накапливаются загрязняющие примеси, снижается щелочность и диспергирующие свойства масла. Таким образом, основным диагностическим признаком неисправного состояния агрегатов очистки масла является повышение содержания большинства продуктов износа при относительно невысоком содержании кремния. Дополнительным признаком является увеличение содержания в масле загрязняющих примесей, более значительный рост вязкости, снижение щелочности и диспергирующих свойств.

Система охлаждения. В условиях эксплуатации двигателей при нарушении герметичности системы охлаждения в масло поступает охлаждающая жидкость. Источниками течей могут быть уплотнения гильз цилиндров и стаканов форсунок, прокладки газового стыка, трещины в корпусных деталях, (блок и головки цилиндров и др.), водомасляные теплообменники. Течи особенно опасны при использовании в качестве охлаждающей жидкости антифризов, более текучих и агрессивных в отношении масел. В результате моторно-стендовых испытаний двигателя ЯМЗ-238Н установлено, что с увеличением концентрации антифриза в масле снижается щелочность и диспергирующие свойства , возрастает вязкость и содержание нерастворимых осадков. При поступлении даже малого количества антифриза значительно ухудшаются антикоррозионные свойства масла (табл. 3) [7].

Таблица 3

Результаты антикоррозионных испытаний масла М-10В₂, содержащего антифриз Тосол-А40 на приборе ДК-3 НАМИ

.

Концентрация Антифриза	Материал испытуемого образца	Изменение в весе после 10 ч испытаний, мг
0	Алюминий Свинцовистая бронза	+ 0,1 + 0,6
0,1	Алюминий Свинцовистая бронза	- 2,5 - 3,2

При диагностировании данной неисправности следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации не всегда наблюдается полное соответствие между повышенным содержанием охлаждающей жидкости в масле и выявленными течами, так как возможно большое число источников течи и затруднен их поиск в процессе рядовой эксплуатации. Происходит также интенсивное испарение охлаждающей жидкости из масла, отбор ее фильтрами, пары воды выбрасываются через сапуны, в связанном виде жидкость откладывается в шламах на деталях двигателя.

На рис. 11 приведено усредненное изменение физико-химических показателей масел при попадании в них воды, выявленное при эксплуатации двигателей ЯМЗ-240Н и 6ДМ-21А карьерных самосвалов БелАЗ-548 и БелАЗ-549.

Наиболее достоверным признаком течи охлаждающей жидкости в масло является изменение диспергирующих свойств. На рис. 12 показаны хроматограммы масла М-10-Г₂к при попадании в него антифриза из системы охлаждения двигателей КамАЗ-740. Характер масляных пятен указывает на полное исчерпывание диспергирующих

Рис.11 Изменение физико-химических

свойств масел при попадании в них

воды.

1- ЯМЗ-240Н - М –10ДМ при течи воды

2- ЯМЗ-240Н – М-10ДМ исправное состояние

3-6ДМ-21А – М-14В₂ исправное состояние

4-6ДМ-21А – М-14В₂ при течи воды.

свойств – полностью отсутствует зона диффузии, поверхность хроматограммы глянцевая, насыщенного черного цвета.

Рис. 12 Хроматограммы масла М-10Г₂к ри течах охлаждающей жидксоти в смазочную систему двигателей КамАЗ-740. 1-9 разные двигатели.

При течах охлаждающей жидкости интенсифицируется накопление в масле продуктов износа, в первую очередь металлов антифрикционного слоя вкладышей коленчатого вала (рис. 13). Одна из причин – воздействие агрессивных продуктов на цветные металлы. На рис.14 показано состояние шатунных вкладышей двигателя КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5511 после того, как в масло на протяжении около 40 тыс. км пробега поступал антифриз. На рабочей поверхности вкладышей, кроме царапин грязевого характера, видны очаги коррозии. Незадолго до осмотра вкладышей концентрация свинца увеличилась до 109 х10^-4 %, меди -–до 28 х 10^-4 %.

Рис.13 Изменение продуктов износа

в маслах при попадании в них

воды.

1- ЯМЗ-240Н – М-10ДМ течи воды

2- ЯМЗ-240Н – М-10ДМ исправное

состояние

3- 6ДМ-21А – М-14В₂ исправное

состояние

4- 6ДМ-21А – М-14В₂ течи воды

Рис.14 Следы коррозии на шатунных

вкладышах двигателя КамАЗ-740

автомобиля КамАЗ-5511.Пробег до

осмотра 75533 км.

Кроме того, взаимодействие масла с охлаждающей жидкостью способствует коагуляции асфальтосмолистых продуктов и их осаждению на фильтрующей перегородке фильтра, вплоть до полного закупоривания пор. Такое явление сопровождается существенным возрастанием гидравлического сопротивления фильтра, деформацией – искривлением гофр, открытием предохранительного клапана и поступлением нефильтрованного масла к подшипникам коленчатого вала.

Система топливоподачи. Источники проникновения топлива в масло зависят от конструкции двигателя, его технического состояния. Так, в двигателях ЯМЗ размерности 130 х 140 мм соединения топливопроводов высокого давления и сливных трубопроводов с форсунками расположено в полости клапанного механизма под крышками головок. Под действием вибрации, а также при некачественном проведении операций техобслуживания системы происходит ослабление затяжки соединительных штуцеров. Топливо просачивается в полость клапанного механизма и поступает в масло. В двигателях других моделей эти соединения находятся вне внутренних полостей двигателя. Однако, из-за разрегулировок форсунок, закоксовки распылителей топливо может поступать в масло через цилиндры. Источником поступления топлива является также топливный насос высокого давления с централизованной системой смазки (из общей системы двигателя). При износе плунжерных пар топливо просачивается в полость кулачкового вала и разжижает масло.

Разжижение свежего масла класса вязкости 10 в лабораторных условиях топливом показало, что его вязкость снижается почти пропорционально содержанию топлива (рис. 15). Из-за испарения легких фракций топлива и масла эта зависимость меняет свой характер. В процессе эксплуатации вязкость масла из-за разжижения топливом может снизиться до значений, существенно ухудшающих условия смазки трущихся деталей. Это наглядно видно на рис. 16, где приведено распределение вязкости масел двигателей карьерных самосвалов БелАЗ при попадании в них топлива в процессе эксплуатации. Видно, что имеет место значительное разжижение масла топливом, вплоть до вязкости 4 мм² /с в двигателях ЯМЗ-240Н, что соответствует содержанию в масле до 40% топлива.

Рис. 15 Снижение вязкости масла в зависимости от содержания в нем топлива

При разжижении масла топливом имеет место «улучшение» диспергирующих свойств масел и снижение содержания в них загрязняющих примесей. Такое «улучшение» показателей из-за разжижения является кажущимся, так как топливо разбавляет масло и концентрация примесей снижается. Кроме того, легкие фракции топлива меняют вид хроматограмм (рис.17). Значительно увеличивается зона диффузии, ядро приобретает расплывчатую форму, пятно имеет светло-серую окраску. Такой вид масляных пятен является диагностическим признаком попадания топлива в масло, что делает ценным использование метода бумажной хроматографии при экспресс - диагностике. Дополнительным признаком разжижения масла является снижение температуры вспышки ниже значений для свежего масла.

Рис.16 Гистограммы распределения

вязкости масел при попадании в них

топлива:

а) Двигатели ЯМЗ-240Н, масло М-10ДМ

б) Двигатели 6ДМ-21А, масло М-14В₂

Рис.17 Характер бумажных хроматограмм масел М-10ДМ (а) –двигатели ЯМЗ-240Н и М-10Г2к (б) – двигатели КамАЗ-740.