Диагностика состояния двигателя по спектральному анализу картерного масла

Цель работы — изучить установку для спектрального анализа масел МФС-5, применяемое оборудование для проведения экспертизы проб масла и получить практические навыки по определению технического состояния элементов двигателя по концентрации химических элементов в моторном масле.

Общие сведения и основные понятия

Диагностирование по параметрам масла, находящегося в картере двигателя, является одним из наиболее эффективных методов. К основным его достоинствам относят высокую информативность, возможность раннего обнаружения неисправностей двигателя, определение необходимости своевременной замены масла, качества работы воздушных и масляных фильтров.

В основе метода оценки технического состояния элементов двигателя по параметрам спектрального анализа проб картерного масла лежит свойство молекул и атомов конкретного химического элемента излучать и поглощать свет строго определенных длин волн, причем интенсивность каждой спектральной линии пропорциональна концентрации соответствующего химического элемента в пробе вещества.

В процессе эксплуатации ДВС моторное масло претерпевает существенные качественные физико-химические изменения. Старение масла происходит из-за прямого взаимодействия с газообразными, жидкими и твердыми продуктами загрязнения (продукты сгорания топлива, изнашивания деталей двигателя, атмосферная пыль, охлаждающая жидкость). Помимо того, подвергаясь воздействию высоких температур, масло окисляется, полимеризуется и коксуется. Продукты окисления и полимеризации, откладываясь на деталях и каналах смазочной системы, загрязняют и уменьшают их сечения, способствуют увеличению износа сопряжений двигателя.


Основными изнашивающимися деталями ДВС являются поршневые кольца, гильзы цилиндров, шейки коленчатого вала, вкладыши, кулачки распределительных валов.

Поступление продуктов износа в масло и их накопление является сложным процессом, зависящим от большого числа факторов. Этот процесс подчиняется уравнению изменения концентрации любых примесей в масле в зависимости от пробега автомобиля без смены моторного масла:



где С₀, С_l — концентрация продуктов изнашивания в масле в начальный и исследуемый моменты времени, %; q_у, q_ф — интенсивность угара и очистки масла, кг/км; Q — вместимость картера двигателя, кг; g — интенсивность изнашивания деталей, кг/км; l — пробег автомобиля, км.

Из уравнения (2.2) следует, что при длительной работе масла в двигателе, постоянных значениях интенсивности очистки и расхода масла скорость изнашивания двигателя, определяемая значением g, может контролироваться по концентрации продуктов износа в масле (как по абсолютному значению, так и по относительному — интенсивности ее увеличения). Поэтому концентрация продуктов износа в моторном масле может использоваться в качестве диагностического параметра определения технического состояния отдельных деталей и двигателя в целом.


При исправном состоянии двигателя через некоторое время после замены масла концентрация продуктов износа в масле практически стабилизируется (рис. 2.25, участок Б), т.е. устанавливается динамическое равновесие между поступлением примесей и их удалением. Причем время стабилизации для различных материалов неодинаково, для железа (Fe) оно составляет 8...10 тыс. км. О начале стабилизации железа в этом периоде свидетельствует уменьшение разброса значений его концентрации и сужение доверительной зоны. Содержание кремния (Si) в масле при исправной работе систем очистки воздуха и масла не зависит от времени работы и находится на минимальном уровне (1...2)·10^-4%. Такой же уровень концентрации характерен и для хрома (Cr).



Начальный период работы масла в двигателе (см. рис. 2.25, участок А) характеризуется наибольшей скоростью изменения показателей и наибольшим разбросом значений. Это свидетельствует о неустановившемся процессе изменения свойств масла в этот период. Поэтому они не могут в полной мере характеризовать техническое состояние двигателя. Наибольшей степенью достоверности оценки технического состояния конкретных сопряжений обладают участки стабилизации.


При резком увеличении интенсивности изнашивания сопряжения динамическое равновесие между поступлением продуктов износа в масло и их удалением в результате фильтрации и угара масла нарушается; концентрация продуктов износа в масле резко возрастает (см. рис. 2.25, участок В).

Наблюдение за динамикой накопления продуктов износа в масле позволяет своевременно (когда еще нет внешних проявлений) определить начало аварийного износа соответствующего сопряжения двигателя и предотвратить его выход из строя предупредительным ТР.

Зависимость (2.2) является сложной и неудобной для практического использования. Для того чтобы привести ее к более простому виду, можно воспользоваться разложением функции f(х) в ряд Маклорена:



Обозначим



тогда формула (2.2) примет вид (с учетом ограничения вторым порядком в разложении функции (2.3)):




Ограничившись вторым порядком в разложении, подсчитаем первые и вторые производные функции С(l):



С учетом последних преобразований



Введем обозначения:



в окончательном виде получим полином второй степени



В общем случае формулу (2.4) можно представить как



где у(х) — концентрация продуктов изнашивания в исследуемый момент времени, %; х — пробег ДВС или иного агрегата без замены масла, км; а₀, a₁, а_m — коэффициенты, найденные по результатам эксперимента; m — показатель степени (m=2).

Определение постоянных коэффициентов уравнений (2.4), (2.5) производится с помощью компьютерной программы. Применительно к двигателю КАМАЗ-740 разработана специальная диагностическая таблица, позволяющая по результатам спектрального анализа выявить техническое состояние его элементов (табл. 2.28).

Таблица 2.28. Диагностическая матрица спектрального анализа масла

Таким образом, концентрация продуктов изнашивания в картерном масле, пропорциональная интенсивности изнашивания деталей, позволяет производить более раннее обнаружение аварийного изнашивания конкретного сопряжения агрегата, когда при других методах диагностирования оно не определяется.

Создание специальных спектрометров (МСФ-3, МФС-5, -7), предназначенных для анализа масел, сделало процедуру проведения анализа быстрой и несложной. Так, установка МФС-5 может автоматически выделить из спектра излучения масла 16 спектральных линий и оценить их интенсивности.

Недостатками метода являются высокая стоимость оборудования, необходимость привлечения высококвалифицированного персонала, а также невозможность конкретизировать место наибольшего износа в одноименных сопряжениях КШМ и ЦП Г.

Настоящее методическое руководство определяет общую стратегию технологии поэлементного диагностирования двигателя по параметрам изменения концентрации продуктов износа в моторном масле в процессе его эксплуатации. В результате выполнения данной лабораторной работы студент должен:

• получить представление об общем устройстве и принципе действия оборудования для спектрального анализа проб масла, взятых из картера двигателя автомобиля или других агрегатов;
• знать нормативы и диагностические параметры оценки технического состояния элементов двигателя и технологию проведения спектрального анализа моторных и трансмиссионных масел;
• уметь определять и конкретизировать предотказное состояние сопряжений двигателя по параметрам спектрального анализа проб картерного масла спектрометрами МФС-5, -7.

Порядок выполнения работы

Техническое обеспечение — двигатель КАМАЗ-740, установка МФС-5, комплект слесарного инструмента, макеты отдельных агрегатов и систем автомобиля, учебные плакаты по устройству и эксплуатации автомобилей КАМАЗ.

Место выполнения — пост ТО двигателя КАМАЗ-740, лаборатория спектрального анализа масел.

Занятия проводятся под руководством преподавателя с подгруппой студентов из 5 —7 человек.

Успешное выполнение работы возможно после ознакомления с методическими указаниями по проведению лабораторной работы и при условии строгого соблюдения правил техники безопасности:

• непосредственно к работе на установке МФС-5 допускаются только специалисты из числа сотрудников лаборатории спектрального анализа масел;
• не включать приборы и не приступать к экспериментальным исследованиям проб масел без разрешения преподавателя;
• не допускать разбрызгивания масла при работе, не пользоваться открытым огнем.

После изучения методических указаний каждый студент получает персональное задание по выполнению операций спектрального анализа проб масел. В присутствии всей подгруппы под руководством преподавателя студент выполняет их, отвечая в процессе работы на контрольные вопросы в пределах материала, изложенного в настоящем руководстве.

По окончании учебных занятий оформляется отчет по всем заданиям лабораторных работ.

Продолжительность работы — 4 ч.

Задание 1. Изучить устройство и принцип работы установки МФС-5

Установка МФС-5 работает по общепринятой схеме эмиссионного спектрального анализа (рис. 2.26).



При анализе масел ванночка 7 с анализируемой пробой масла, химический состав которой необходимо определить, устанавливается в штатив 5, снабженный двумя угольными электродами: верхним — стержневым 3 и нижним — дисковым 6, вращающимся с постоянной скоростью. Часть дискового электрода постоянно погружена в ванночку с пробой масла. При вращении диска масло с находящимися в нем продуктами износа поступает в зону электрического разряда, созданного между электродами с помощью источника возбуждения спектра 4, где происходит испарение масла и возбуждение излучения атомов элементов, присутствующих в пробе.

Полихроматор 2 с вогнутой дифракционной решеткой 1 разлагает излучение атомов в спектр, который характеризует химический состав вещества пробы. Каждому элементу соответствует своя совокупность спектральных линий, интенсивность которых зависит от концентрации элемента в данной пробе.

Аналитические линии различных элементов выделяются из спектра пробы с помощью выходных щелей 8, установленных на фокальной поверхности полихроматора 2.

Выделенные монохроматические излучения проецируются на фотокатоды фотоэлектронных умножителей 9, вызывая фототоки в их анодных цепях.

Для определения концентрации анализируемых элементов, соответствующих полученным показаниям прибора, необходимо предварительное построение градуировочных графиков по эталонным образцам.

Для построения градуировочных графиков подготавливают семь эталонных образцов масла с известной концентрацией анализируемых химических элементов. Эта операция производится путем введения оксидов металлов и кремния в свежее масло той же марки, которая употреблялась в исследуемых двигателях при их эксплуатации. Каждый эталонный образец подвергается анализу на установке МФС-5 не менее десяти раз. После анализа эталонных образцов подсчитываются средние величины отсчета прибора n_ср по каждому элементу.

Градуировочные графики строятся в логарифмических координатах (рис. 2.27). По оси абсцисс откладывают величины концентраций элементов в эталонных образцах С, а по оси ординат — средние значения отсчетов n цифрового вольтметра установки. После построения графиков следует записать режим работы МФС-5, при котором в дальнейшем выполняется анализ проб масел.

Задание 2. Выполнить анализ проб картерного масла двигателя

Необходимо провести спектральный анализ пяти заранее заготовленных образцов моторного масла, отобранных из картера автомобиля при разных пробегах в условиях эксплуатации.

Отбор проб масел в количестве 30...50 мл производится с помощью пробоотборника (рис. 2.28) из картера двигателя через отверстие для измерения уровня масла при температуре масла не ниже 40°C.



Шприц должен обеспечивать необходимое разрежение, позволяющее производить отбор проб масла при длине хлорвиниловой трубки 1...1,5 м.

После отбора пробы на флакон наклеивают этикетку, на которой указывается номер пробы, модель и государственный номер регистрации автомобиля, название агрегата, марка масла, наработка масла от очередной замены и дата отбора пробы.

Перед началом работы на установке МФС-5 необходимо провести фотоэлектрический контроль положения аналитических линий относительно выходных щелей полихроматора по линии меди и установить параметры, определяющие режим анализа в соответствии с выбранными величинами.

В штатив устанавливают дисковый электрод до упора на оси привода, верхний электрод размещают в цанговом зажиме, соблюдая заданный межэлектродный зазор 1,5 мм. Подготовленную для анализа пробу масла заливают в ванночку, которую устанавливают на столике штатива, и подводят к нижнему электроду до соприкосновения дискового электрода с поверхностью пробы плюс пол-оборота винта подъемного столика штатива. Нажать кнопку включателя для проведения сжигания пробы масла.

После окончания анализа не следует быстро открывать штатив, нужно дать возможность в течение 1 мин образовавшимся газам улетучиться из камеры сгорания через вытяжную трубку МСФ-5. В это время производится опрос по каналам измерения, а результаты записываются в протокол измерений, форма которого приведена в табл. 2.29.

Таблица 2.29. Протокол спектрального анализа проб масел

Сжигание каждой пробы масла нужно производить два раза, меняя каждый раз дисковый и стержневой электроды. Расхождение между результатами двух параллельных определений концентраций не должно превышать 15%. При получении расхождения более 15 % производят третье измерение, а за результат принимают среднее арифметическое значение результатов тех двух определений, для которых расхождение между результатами меньше 15%.

Концентрацию элементов определяют по средним значениям полученных отсчетов с помощью градуировочных графиков (см. рис. 2.27). Для определения концентрации продуктов износа в пробе масла надо провести прямую, соответствующую усредненному значению показаний прибора «ср, до пересечения с градуировочным графиком. Проекция от точки пересечения на координатную ось покажет концентрацию данного элемента в пробе.

На основании сопоставления результатов анализа с данными диагностической табл. 2.28 необходимо охарактеризовать процесс изнашивания основных трущихся сопряжений двигателя КАМАЗ-740.

Для одного-двух элементов (по указанию преподавателя) обработать результаты анализа по предварительно составленной типовой программе на компьютере, считая, что зависимость концентрации элемента от пробега автомобиля между заменами масла определяется формулой (2.4). Распечатать результаты обработки и приложить их к отчету по лабораторной работе. Построить графики рассчитанной зависимости концентрации элемента от пробега масла.

Обработка результатов спектрального анализа дает расчетные значения коэффициентов А и В в формуле (2.4). Далее следует определить, какого значения достигнет концентрация исследуемого элемента в моторном масле через 2000 км пробега автомобиля после отбора последней пробы. Путем сравнения полученного значения концентрации С с допустимыми значениями в диагностической табл. 2.28 сделать прогноз технического состояния соответствующего узла двигателя через 2000 км пробега автомобиля после отбора последней пробы масла.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен включать в себя следующие сведения:

• название и цель работы;
• краткое описание методики определения концентрации примесей в отработанном масле;
• протокол испытаний (см. табл. 2.29) с экспериментальными и расчетными значениями величин концентраций элементов;
• графики изменения концентрации элементов в зависимости от пробега автомобиля между заменами моторного масла и прогноз;
• выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Раскройте сущность метода спектрального анализа проб масла.

2. Объясните назначение основных узлов установки МСФ-5.

3. Каково назначение эталонных образцов масла?

4. Каков порядок построения градуировочных графиков для определения концентрации исследуемого химического элемента на спектрографе?

5. Как правильно отобрать пробу масла из картера двигателя?

6. Перечислите основные факторы, влияющие на увеличение концентрации элементов износа в работающем масле.

7. Каков принцип определения технического состояния основных деталей двигателя по концентрации элементов износа в масле?

8. Как осуществляется прогнозирование периода замены моторного масла в двигателе на основе спектрального анализа взятой из картера этого двигателя пробы масла?