Анализ осцилограммы давления в цилиндре

Осциллограмма давления в цилиндре является одним из богатейших источников диагностической информации. Прежде всего, следует уяснить, что эта осциллограмма не отображает те или иные параметры механической части двигателя непосредственно. Она отображает процесс движения газов в цилиндре, по которому можно косвенно судить о работе механизма газораспределения, состоянии цилиндропоршневой группы, проходимости выпускного тракта и многом другом. В дальнейшем речь пойдет, в частности, о моментах открытия, закрытия либо перекрытия клапанов. Нужно понимать, что это не есть их реальные геометрические углы, обусловленные конструкцией распределительного вала. Это характерные точки газодинамических процессов в цилиндре, дающие нам лишь косвенную информацию. Отметим также, что разговор будет об осциллограмме давления в цилиндре двигателя, работающего на холостом ходу при 800-900 оборотах в минуту.

Для получения осциллограммы давления в цилиндре необходимо прогреть двигатель до рабочей температуры, установить в исследуемый цилиндр датчик давления вместо вывернутой свечи, а высоковольтный провод этой свечи установить на разрядник. В случае, когда двигатель оснащен единым модулем зажигания на все цилиндры (некоторые моторы Opel, Peugeot, Renault), можно снять модуль и установить дополнительные высоковольтные провода между его выводами и свечами, соблюдая при этом меры предосторожности. Если возможно, отключить разъем от форсунки диагностируемого цилиндра, чтобы исключить подачу топлива. Синхронизацию при снятии осциллограммы лучше использовать внешнюю, от датчика первого цилиндра. Запустить двигатель и снять осциллограмму.

Рассмотрим участки и характерные точки осциллограммы по порядку, одновременно упоминая о том, какую информацию можно извлечь из их формы и значения давления.

Рисунок 1

Максимум давления в цилиндре соответствует верхней мертвой точке (ВМТ). ВМТ такта сжатия диагностируемого цилиндра принимают за нулевую точку угла поворота коленчатого вала.

Первое, на что следует обратить внимание, - это реальный угол опережения зажигания. Программа отмечает момент синхронизации тонкой серой полосой, которая при использовании внешней синхронизации представляет собой не что иное, как момент искрообразования в цилиндре. Как вариант, можно вместе с осциллограммой давления снять и осциллограмму высокого напряжения в исследуемом цилиндре. Эта наглядная «картинка» соотношения ВМТ и момента искрообразования просто замечательна при поиске причин незапуска двигателя. Следует заметить, что полученный таким образом угол является реальным и может не совпадать с углом, отображаемым сканером. В случае большого расхождения есть смысл проверить задающий диск двигателя.

Второе, что нужно сделать перед дальнейшим анализом осциллограммы, - это убедиться, что называется, «навскидку» в отсутствии серьезных механических проблем в проверяемом цилиндре.

Рисунок 2

Делается это путем сравнения давлений в точках 1 и 2. Идея этой методики заключается в следующем. При сжатии поршнем газов часть из них неизбежно просочится через уплотнения цилиндра, вследствие чего давление в точке 2 относительно точки 1 упадет. В то же время, температура газов вырастет вследствие сжатия их поршнем и контакта с горячими стенками цилиндра, что приводит к росту давления. Поэтому у исправного двигателя давление в точке 1 должно быть приблизительно равно давлению в точке 2. Если же в цилиндре имеются серьезные механические дефекты (прогар клапана, сломанные кольца, неисправность в механизме газораспределения), то давление 1 будет заметно выше давления 2 из-за значительной утечки сжимаемых в цилиндре газов.

Рисунок 3

Приведенная методика скорее оценочная, серьезные выводы о состоянии уплотнений цилиндра лучше делать с использованием пневмотестера.

Если момент искрообразования на месте, и явных механических дефектов не обнаружено, приступаем к дальнейшему анализу осциллограммы. Начнем с верхней мертвой точки.

Значение давления в ВМТ — параметр интегральный, зависящий от множества факторов. Означает ли это, что из него невозможно сделать достоверное заключение о наличии либо отсутствии какого-либо дефекта? К сожалению, да. Но понимать, отчего это значение зависит, и соответствующим образом его интерпретировать совершенно необходимо. А поэтому перечислим основные факторы, оказывающие влияние на значение давления в ВМТ.

1. Степень сжатия двигателя. Естественно, чем выше степень сжатия, тем выше давление. Разница будет заметна не только на конструктивно разных моторах, но и на двигателях одной и той же модели. Это связано в первую очередь с изменением степени сжатия в процессе эксплуатации, например вследствие обрастания нагаром камеры сгорания и днища поршня.
2. Абсолютное давление во впускном коллекторе. Так как наполнение цилиндра происходит из впускного коллектора через открытый впускной клапан, то количество поступивших газов, а следовательно, и давление в ВМТ напрямую зависит от значения абсолютного давления. Повышенное значение последнего чаще всего бывает следствием подсоса воздуха в задроссельное пространство. Вообще, подсос обнаруживается по наличию двух признаков: высокому давлению в ВМТ и низкому значению вакуума во впускном коллекторе.
3. Состояние газораспределительного вала. Например, износ впускного кулачка также приведет к плохому наполнению цилиндра и, как следствие, низкому давлению в ВМТ.
4. Состав смеси. Оптимальным составом смеси, на котором наиболее эффективно работает двигатель, является стехиометрический. Напомним, что стехиометрическим называют состав, в котором соотношение масс воздуха и топлива составляет 14,7:1. Отклонение от стехиометрии как в сторону обогащения, так и в сторону обеднения приводит к тому, что двигатель выходит из оптимального режима работы, в результате чего снижаются обороты холостого хода. Для их поддержания на необходимом уровне электронный блок управления (ЭБУ) приоткрывает регулятор холостого хода (РХХ). При этом давление во впускном коллекторе повышается, и соответственно повышается давление в ВМТ.
5. Угол опережения зажигания. Выше упоминалось, что перед анализом осциллограммы необходимо убедиться в правильной установке УОЗ, чтобы исключить влияние последнего на достоверность наших выводов. Поясним, как связаны между собой УОЗ и давление в ВМТ. Отклонение значения УОЗ от оптимального, как в сторону более позднего, так и в сторону слишком раннего зажигания, приводит к снижению значения оборотов холостого хода. Это опять-таки вызывает дополнительное открытие РХХ, рост абсолютного давления во впускном коллекторе и, соответственно, увеличение давления в ВМТ.
6. Состояние цилиндро-поршневой группы и клапанов. Наличие значительных утечек газов из цилиндра при неудовлетворительном состоянии этих узлов также приведет к снижению давления в ВМТ. Но, как уже упоминалось, произвести приблизительную оценку их состояния необходимо сразу после снятия осциллограммы, до ее детального анализа.
7. Еще один важный фактор — количество цилиндров двигателя. Поясним на простом примере. Дело в том, что при снятии осциллограммы исследуемый цилиндр не вносит вклад в работу двигателя. На трехцилиндровом моторе это будет один из трех, а на восьмицилиндровом — один из восьми цилиндров. В первом случае нагрузка на оставшиеся цилиндры возрастает значительно больше, чем во втором. Как следствие, для поддержания оборотов холостого хода значительно открывается РХХ, что приводит к увеличению давления в ВМТ. Поэтому, исследуя трехцилиндровый Дэу Матиз, не нужно удивляться высокому значению этого давления.

Значение давления в верхней мертвой точке исправного четырехцилиндрового двигателя колеблется от 4.5 до 6 бар. Меньшие значения говорят чаще всего о серьезных механических дефектах исследуемого цилиндра, большие — повод поискать подсос воздуха либо причину повышенной нагрузки на двигатель.

Спад давления после ВМТ соответствует движению поршня вниз. Выпускной клапан начинает открываться до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки, которой соответствует угол поворота коленчатого вала 180 градусов. Происходит это потому, что при реальной работе мотора отработавшие газы находятся под большим давлением, и несмотря на то, что объем цилиндра увеличивается, начинается их истечение через выпускной клапан. В нашем случае, так как воспламенения не происходит, давление в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ниже атмосферного и примерно равно разрежению на впуске. Поэтому при открытии выпускного клапана начинается движение газов из выпускного тракта в цилиндр, и давление в последнем начинает расти.

Момент начала роста давления в цилиндре можно условно принять за момент начала открытия выпускного клапана. Для более точного измерения рекомендуется значительно растянуть осциллограмму по оси Y.

Рисунок 4

Затем при помощи измерительных линеек определить угол от ВМТ до момента открытия выпускного клапана. Это значение позволяет сделать однозначный вывод о правильности установки выпускного распредвала на двухвальном моторе либо распредвала на одновальном. На подавляющем большинстве двигателей угол открытия выпускного клапана составляет 140-145 градусов поворота коленчатого вала, лишь на некоторых моторах, имеющих «опелевские» корни, этот угол составляет 160 градусов. Если измеренный на осциллограмме угол укладывается в указанный диапазон, то считается, что распредвал установлен верно. Напомним, что речь идет о наблюдаемом нами виртуальном газодинамическом угле, реальные же углы открытия и закрытия клапанов у различных моторов могут значительно отличаться.

Если говорить о моторах ВАЗ, то перестановка ремня ГРМ на один зуб дает смещение фаз газораспределения на 17 градусов в соответствующую сторону. Реально же на осциллограмме мы увидим смещение при ошибке на зуб приблизительно на 12 градусов, на два зуба — 26 градусов, и чем дальше, тем большее будет наблюдаться расхождение. Это происходит опять-таки в силу газодинамической природы рассматриваемой осциллограммы.

Надо сказать, что несовершенство технологии производства на ВАЗе приводит к значительным расхождениям угла от одного экземпляра двигателя к другому при абсолютно правильно установленном ремне ГРМ.

Далее. На участке последующего нарастания давления происходит процесс открытия выпускного клапана. Этот участок осциллограммы должен быть гладким. Наличие неровностей в виде всплесков или даже «пилы» говорит о значительном износе направляющей втулки выпускного клапана. Вибрация последнего при открытии и является причиной пульсаций давления. Ниже приведен пример осциллограммы такого явления.

Рисунок 5

При 180 градусах поворота коленчатого вала поршень попадает в нижнюю мертвую точку. Участок осциллограммы от этой точки до точки 360 градусов соответствует движению поршня вверх, к ВМТ такта выпуска, или ВМТ 360 градусов. После выравнивания давления в цилиндре и в выпускном тракте начинается вытеснение газов из цилиндра. В этот момент выпускной клапан открыт, а поршень движется вверх. Другими словами, давление в цилиндре фактически есть ни что иное, как давление в выпускном тракте. Этот замечательный факт позволяет нам сделать вывод о проходимости выпускного тракта, установив соответствующим образом измерительные линейки и оценив полученное значение.

Вполне нормальным считается давление на этом участке в пределах 0,1-0,15 бар. Если оно значительно выше, до 1-1.5 бар, это однозначно указывает на внутреннее разрушение катализатора либо глушителя. Незначительные превышения также чаще всего бывают связаны с теми или иными внутренними разрушениями, хотя также возможен износ кулачка выпускного клапана. В сомнительных случаях есть смысл рассоединить сочленения выпускного тракта и произвести повторное измерение. Этот участок осциллограммы особенно информативен, если поднять обороты холостого хода, скажем, до 2000. В случае внутреннего разрушения выпускного тракта давление на нем будет весьма высоким, до 2-3 бар.

На участке осциллограммы, соответствующем выпуску отработанных газов, наблюдаются неровности. Причина их появления — волновые и резонансные процессы в выпускном тракте. Чем лучше настроен выпускной тракт на конкретный двигатель, тем ровнее будет этот участок осциллограммы. Сравнение осциллограмм моторов отечественного и иностранного производства позволяет сделать неутешительный вывод о том, что к настройке выпуска зарубежные автопроизводители относятся гораздо более серьезно.

Рассмотрим верхнюю мертвую точку такта выпуска, соответствующую 360 градусам поворота коленчатого вала. Незадолго перед ней впускной клапан начинает открывать канал, через который внутренний объём цилиндра соединяется с впускным коллектором. Абсолютное давление во впускном коллекторе значительно ниже давления в цилиндре. Так как выпускной клапан все еще открыт, то давление в цилиндре практически равно давлению в выпускном коллекторе. По этой причине обнаружить момент начала открытия впускного клапана на осциллограмме давления в цилиндре большинства двигателей невозможно.

Говоря о ВМТ выпуска, следует заострить внимание на характерной точке, соответствующей перекрытию клапанов. Речь идет о газодинамическом перекрытии, когда проходные сечения канала впуска и выпуска уравниваются. Так как диаметры тарелок впускного и выпускного клапанов различны, перекрытие наступает при различных значениях вылета этих клапанов. На некоторых моторах геометрическое перекрытие клапанов может отсутствовать вообще. Но виртуальное газодинамическое перекрытие присутствует всегда, независимо от конструкции двигателя. На осциллограмме этот момент соответствует началу резкого спада давления в конце такта выпуска. Для оптимальной работы мотора момент газодинамического перекрытия должен совпадать с отметкой 360 градусов, что и наблюдается при исследовании двигателей разных производителей.

Обратим внимание на такой нюанс. Если при анализе осциллограммы давления в цилиндре окажется, что момент перекрытия изменяет свое положение от кадра к кадру, то это говорит об ослаблении натяжения ремня ГРМ.

Когда поршень, достигнув верхней мертвой точки, изменят направление движения на противоположное, выпускной клапан уже почти закрыт. Вследствие этого внутренний объём цилиндра разобщается выпускным коллектором. Впускной клапан при этом продолжает открываться, и давление в цилиндре начинает уравниваться с давлением во впускном коллекторе. Так как значение давления в цилиндре достаточно высокое, газы из цилиндра начинают перетекать во впускной коллектор, где давление значительно ниже атмосферного. Вскоре давления в цилиндре и впускном коллекторе практически выравниваются. Поршень при этом движется вниз, впускной клапан открыт, и значение давления на участке впуска есть ни что иное, как вакуум во впускном коллекторе. Его усредненное значение на исправном моторе составляет 0.6 бар. Если значение вакуума ниже, это повод искать причину дефекта. К сожалению, вакуум во впускном коллекторе, как и рассмотренное выше давление в ВМТ сжатия, зависит от целого ряда факторов. Небольшие затухающие колебания на участке впуска возникают предположительно из-за резонансных процессов во впускном тракте.

Достигнув нижней мертвой точки 540 градусов, поршень вновь начинает движение к головке блока цилиндров. Но впускной клапан при этом некоторое время остаётся всё ещё открытым. Поясним, почему. Дело в том, что процесс движения газов из впускного коллектора в цилиндр имеет значительную инерционность, и несмотря на то, что поршень движется к ВМТ и объем цилиндра уменьшается, через открытый впускной клапан продолжается наполнение цилиндра за счет инерции потока. Опоздание закрытия впускного клапана служит для улучшения наполняемости цилиндра топливовоздушной смесью. Данный эффект зависит от частоты вращения коленчатого вала и от степени открытия дроссельной заслонки. Момент закрытия впускного клапана подбирается при проектировании таким образом, чтобы «дозаряд» цилиндров был максимальным при определенном значении оборотов и полностью открытом дросселе. Если же двигатель работает с низкой частотой вращения коленчатого вала, эффект от позднего закрытия впускного клапана отрицательный: часть газов перетекает обратно во впускной коллектор.

Увидеть момент закрытия впускного клапана на осциллограмме можно лишь приблизительно.

1. На холостом ходу (800-900 об/мин), когда в момент закрытия клапана газы из цилиндра перетекают в коллектор, это будет момент начала роста давления.
2. На повышенных оборотах, когда в момент закрытия клапана происходит процесс «дозаряда» цилиндра, будет виден небольшой перелом графика. Этот перелом возникает из-за того, что давление до полного закрытия клапана повышалось вследствие сжатия и «дозаряда», а после закрытия — только за счет сжатия. В идеальном случае горба быть не должно вообще, но на реальных серийных моторах добиться этого невозможно.

Момент закрытия впускного клапана на осциллограмме давления должен находиться примерно на отметке 580 градусов. Правильность установки впускного газораспределительного вала на двухвальном моторе можно установить по положению перекрытия клапанов и моменту закрытия впускного клапана.

После полного закрытия впускного клапана поршень движется к ВМТ такта сжатия, и цикл повторяется сначала.

Подведем краткий итог. Осциллограмма давления в цилиндре позволяет нам определить:

1. Реальный угол опережения зажигания по соотношению ВМТ и импульса высокого напряжения.
2. Состояние механической части по разнице давлений до и после сжатия (приблизительно).
3. Правильность установки выпускного распредвала по углу открытия выпускного клапана.
4. Правильность установки впускного распредвала по положению перекрытия клапанов и моменту закрытия впускного клапана.
5. Состояние направляющей втулки выпускного клапана по форме осциллограммы.
6. Проходимость выпускной системы по значению давления в момент выпуска газов.
7. Наличие и значение вакуума во впускном коллекторе.
8. Наличие слабины ремня ГРМ по разнице углов перекрытия клапанов от кадра к кадру.