Разработка оптико-электронного устройства для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами
Аннотация
Дата поступления статьи: 21.05.2014Предложено новое устройство для анализа загрязнённости моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами. Для повышения информативности данных для оценки концентрации загрязнений в устройстве используются оптический и ультразвуковой методы анализа загрязнённости моторных масел.
Ключевые слова: трибомониторинг, оптико-электронное устройство, двигатель внутреннего сгорания, моторные масла, методы анализа загрязнённости
05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей можно, в значительной степени, снизить затраты на ремонтные работы и простои, и предотвратить аварийные ситуации, путем осуществления постоянного контроля состояния фрикционных узлов и своевременно проводя работы по продлению их ресурса. Такой контроль узлов ДВС без их разборки можно осуществлять, анализируя свойства и состав моторных масел, т.е. проводя их непрерывный трибомониторинг [1 - 3].
В последние годы определилась тенденция создания трибомониторинговых систем нового поколения. Они позволяют вести комплексный непрерывный мониторинг в режиме реального времени для чего машины оснащают средствами встроенного (бортового) контроля трибоузлов с помощью датчиков, анализирующих количественный и качественный состав и размеры частиц износа, выделяемых в потоке масла. Такая методика относится к передовому подходу обслуживания оборудования - «обслуживание по его фактическому состоянию». При этом система технического сервиса оборудования ориентируется на проведение ремонтных работ не через заранее запланированные интервалы времени, а по мере необходимости, в соответствии с его техническим состоянием. Как известно, такой подход позволяет снизить затраты на обслуживание до 70 %, устранить отказы и простои оборудования, значительно сократить издержки на запасные части. Применение таких мониторинговых систем нового поколения является особенно актуальным на фоне продолжающегося старения основных производственных фондов в России, что требует значительных средств для поддержания их работоспособности традиционными способами [4 - 10].
Фрикционные узлы и система смазки ДВС подвергаются наиболее агрессивным воздействиям по сравнению с большинством других трибосистем. Для мониторинга загрязнения масла в такой трибосистеме следует контролировать:
- уровень продуктов износа смазываемых фрикционных поверхностей;
- топливное загрязнение (растворением);
- загрязнение за счет утечки хладагента;
- загрязнение за счет чрезмерного накопления сажи;
- проникновение загрязнений извне, определяемое повышенным уровнем кремния в используемом масле;
- количество конденсирующейся в масляной системе воды;
- изменение основных характеристик масла за счет окисления, старения, взаимодействия с водой и других факторов [1, 6, 7, 11].
По ГОСТ 10541-78 содержание механических примесей в чистых моторных маслах должно быть не выше 0,015%. Предельным показателем содержания механических примесей в работающих маслах являются значения от 1 до 3% в зависимости от типа двигателя.
Известно [11, 12], что с увеличением срока эксплуатации масла, в нём увеличивается количество механических примесей, в том числе взвешенных частиц металлической (продукты износа деталей цилиндропоршневой группы) и угарной (нерастворимые продукты окисления) природы. При этом частицы угарной природы распределены в слое масла равномерно, а частицы металлической природы, как частицы с большей плотностью, распределены в основном в нижних слоях масла в картере при выключенном двигателе.
Способы анализа загрязнений масел могут быть основаны на различных методах: виброакустическом, электрическом, оптическом, спектральном и др.[1, 13 - 15]. Однако эти способы и устройства, их реализующие, обладают определенными недостатками, в частности, недостаточной информативностью. Авторами разработан эффективный способ анализа моторных масел, позволяющий проводить интегральную оценку того, является ли загрязнение масла результатом износа деталей двигателя с образованием в масле металлических частиц или же оно носит характер старения масла с образованием в нём угарных частиц [16].
Принцип предлагаемого технического решения поясняется с помощью структурной схемы устройства для определения параметров дисперсных частиц, находящихся в масле картера двигателя, реализующего данный способ. Устройство представлено на рис.1.
Рис. 1. - Структурная схема устройства для определения параметров дисперсных частиц
Устройство, реализующее предложенный способ, формирует три измерительных канала: эталонный канал – в кювете с чистым маслом 1; измерительный канал контроля угарных частиц, расположенный ниже верхнего уровня масла 4 на высоте минимального уровня масла 5 в картере двигателя 3; измерительный канал контроля металлических частиц, расположенный внизу масляного поддона картера двигателя. Устройство содержит эталонную кювету с чистым маслом 1; лазер 13 в качестве источника зондирующего излучения; смотровые окна 6; светоделители (полупрозрачные зеркала) 12; световую ловушку 11; объективы 14; фотоприёмники 15, 17, 18; датчик температуры 9; ультразвуковой излучатель канала контроля угарных частиц 7; ультразвуковой излучатель канала контроля металлических частиц 8; ультразвуковой излучатель эталонного канала 10; усилители 19, 20, 21, 23; аналого-цифровые преобразователи 24, 25, 26, 28; цифроаналоговой преобразователь 27; генератор ультразвуковых колебаний 22; коммутатор 16; электронно-вычислительную машину 29. Оптическая часть устройства помещена в корпус 30, защищенный от посторонней засветки и от попадания пыли и влаги.
Устройство функционирует следующим образом. Исследуемая дисперсная система 2 контактирует с зондирующим излучением с длиной волны 
, которое генерируется лазером 13 и ультразвуковыми колебаниями, формируемыми излучателями ультразвуковых колебаний 7, 8, 10, соответственно, в измерительных каналах контроля: угарных частиц, металлических частиц и в эталонном. Через светоделители 12 зондирующее излучение через смотровые окна 6 подводится к дисперсионной среде (сплошной фазе) 2. При прохождении этой волны через исследуемую дисперсную систему происходит рассеяние, отражение и поглощение излучения. Рассеянное и отраженное (под малыми углами относительно направления распространения) от дисперсных частиц 2 излучение проходит через смотровые окна 6 и попадает на светоделители 12, которые направляют его на объективы 14. Объективы 14 проецируют излучение непосредственно на фотоприёмники 15, 17, 18, соответственно, измерительных каналов контроля угарных частиц, металлических частиц и эталонного канала. Далее аналоговый сигнал с фотоприёмников усиливается в усилителях 19, 20, 23 и преобразуется к цифровому виду при помощи аналого-цифровых преобразователей 24, 25, 28, и поступает для дальнейшей обработки и регистрации на ЭВМ 29. Для контроля изменения температуры масла в картере двигателя внутреннего сгорания введен датчик температуры 9, информация с которого через усилитель 21 и АЦП 26 так же поступает в ЭВМ 29. ЭВМ координирует работу всех узлов системы. Она управляет процессом оцифровки сигнала с фотоприёмников и датчика температуры посредством аналого-цифровых преобразователей 24, 25, 26, 28; управляет работой ультразвукового генератора 22 через цифроаналоговый преобразователь 27 и коммутатор 16, обрабатывает и регистрирует результаты измерений. ЭВМ, используя математическую модель оптимального взаимодействия ультразвуковых колебаний с дисперсными частицами, рассчитывает параметры воздействующих импульсов таким образом, чтобы колебания поверхности дисперсной частицы происходили по гармоническому закону с собственной частотой fn. При этом учитывается температура дисперсной системы и характерное время затухания колебаний дисперсных частиц за счет вязких сил.
Устройство начинает функционировать в момент включения зажигания. Его работа делится на три периода: период старта, период разогрева двигателя, период нормальной эксплуатации двигателя при рабочей температуре.
В первом периоде при включении зажигания в зависимости от температуры масла выбирается частота ультразвуковых излучателей, затем попеременно проводится опрос измерительных каналов: эталонного канала – канала контроля металлических частиц и эталонного канала – канала контроля угарных частиц для выявления процентного содержания угарных и металлических частиц.
При разогреве двигателя, в зависимости от температуры масла меняется частота ультразвуковых колебаний, затем, как и в первом периоде, попеременно проводится опрос измерительных каналов: эталонного канала – канала контроля металлических частиц и эталонного канала – канала контроля угарных частиц для выявления процентного содержания угарных и металлических частиц.
На третьем отрезке времени в зависимости от температуры масла устанавливается частота ультразвуковых излучателей, и затем попеременно проводится опрос измерительных каналов: эталонного канала – канала контроля металлических частиц и эталонного канала – канал контроля угарных частиц для фиксации резкого увеличения процентного содержания угарных и металлических частиц в моторном масле.
Кроме этого, постоянно проводится контроль соотношений между усредненными сигналами эталонного канала и канала контроля металлических частиц, и сигналами эталонного канала и канала контроля угарных частиц для определения интегрального показателя загрязненности моторного масла в соответствии с существующими стандартами.
Таким образом, рассмотренное оптико-электронное устройство, позволяет существенно повысить информативность данных для оценки концентрации взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в масле, и в частности, дает возможность контролировать качество работы двигателя, оставшийся ресурс работы масла до его замены. Данное устройство может быть использовано не только при эксплуатации ДВС, но и на стадии их испытаний.