Содержание к диссертации
Введение
I. Современное состояние вопроса 10
1.1. Методы и системы диагностирования автомобилей 10
1.2. Исследования в области диагностирования 31
1.3. Приборы и комплексы для диагностирования автомобильных двигателей 39
II. Теоретико - методические аспекты создания инновационного диагностического комплекса для автомобильных бензиновых двигателей 53
2.1. Теоретические положения к разработке статистико-математической модели множественной регрессии 53
2.2. Научные подходы к разработке методик измерения диагностических параметров 59
2.2.1 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 59
2.2.2. Методика измерения параметров электронной системы управления двигателем 61
2.2.3. Методика измерения состава отработавших газов 68
2.2.4. Методика измерения напряжения пробоя на электродах свечи зажигания; 74
2.2.5. Методика измерения разрежения во впускном коллекторе двигателя 80
2.3. Методика моделирования неисправностей 81
2.4. Результаты экспериментальных исследований 91
2:4:1, Разработка статистико - математической модели корреляционной связи диагностических параметров двигателей внутреннего сгорания и их систем 91
2.4.2. Ранжировка факторных признаков по их степени влияния на коэффициент избытка воздуха 97
2.5. Анализ влияния диагностических параметров (факторов) на значение коэффициента избытка воздуха 105
2.5.1. Содержание оксида углерода (фактор х2). 107
2.5.2. Содержание несгоревших углеводородов СтН„ (фактор xi)...:...108
2.5.3; Время впрыска топлива форсунками (фактора): 111
2.5.4. Величина напряжения датчика кислорода (фактор х8)... ..114
2.5.5. Массовый расход воздуха двигателем (фактор Хе) 116
2.5.6. Содержание диоксида углерода С02 (фактор х3). 119
2.5.7. Угол опережения зажигания (факторх7) ...121
2.5.8. Разрежение во впускном коллекторе (фактор Хц) 124
2.5.9; Содержание кислорода в отработавших газах (фактору) .126
2.5.10. Коэффициент коррекции времени впрыска (фактор х10) 128
2.5.11. Величина напряжения на датчике детонации: (фактор хэ) 130
2.5.12. Величина напряжения пробоя на электродах свечи зажигания (фактор хп) "132
III. Теоретико - практические подходы повышения качества и эффективности диагностирования автомобильных бензиновых двигателей и разработка диагностического комплекса .138
3.1. Предпосылки применения экспертной системы 138
3.2. Структура экспертной системы 140
3.3. Проектирование экспертной системы (метода) диагностирования бензиновых двигателей 145
3.4. Комплекс для диагностирования на основе экспертной системы 148
3.5. Расчёт интегральных показателей неисправностей .153
3.6. Разработка программного обеспечения на основе экспертной системы диагностирования бензиновых двигателей .162
3.7. Теоретические положения по определению экономической эффективности внедрения диагностического комплекса .165
3.8. Расчёт экономической эффективности внедрения диагностического комплекса 172
Основные результаты и выводы 179
Библиографический список 182
Приложения: 202
- Исследования в области диагностирования
- Научные подходы к разработке методик измерения диагностических параметров
- Величина напряжения пробоя на электродах свечи зажигания (фактор хп)
- Проектирование экспертной системы (метода) диагностирования бензиновых двигателей
Введение к работе
Актуальность темы. За последние десятилетия в автомобильной промышленности произошел качественный прорыв в развитии электронных систем управления, которые позволяют внедрять новые технологии, связанные с управлением и контролем работы автомобиля и его систем. Основным направлением развития является совершенствование электронной системы управления двигателем автомобиля с целью повышения его эксплуатационной надёжности и экологической безопасности. Для оценки уровня технического состояния двигателя и его систем применяют большое количество диагностических устройств. Наиболее эффективными из них являются диагностические комплексы, позволяющие считывать и отображать диагностические параметры конкретных переменных величин, по величине которых можно судить о техническом состоянии двигателя и его систем и выявлять их определённые неисправности.
Современные диагностические комплексы фактически выдают информацию в виде численных значений диагностических параметров без указания конкретных неисправностей, которые выявляются в ходе анализа этих параметров экспертом, проводящим диагностирование, что требует соответствующей подготовки специалистов (диагностов) и связано с достаточно высокими трудоёмкостью и стоимостью диагностических работ.
Целесообразность решения этих вопросов с более высоким уровнем качества определило выбор темы, формулировку цели, постановку задач и основные направления исследования.
Изложенное выше подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение научно-практической задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы - разработка метода диагностирования автомобильных двигателей и комплекса для его осуществления, позволяющих безошибочно выявлять конкретные неисправности двигателя и его систем при минимально возможных трудовых затратах и с более низким уровнем квалификации работников-диагностов.
Для достижения данной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
разработана классификация и дан анализ методов, систем и комплексов диагностирования автомобильных двигателей;
выявлены оптимальные, максимально информативные диагностические параметры двигателя и его систем, разработана программа и методика проведения экспериментальных исследований по определению диагностических параметров;
разработана статистико-математическая модель корреляционной связи диагностических параметров автомобильных двигателей в виде зависимостей коэффициента избытка воздуха от 12-ти диагностических параметров для разных режимов работы двигателя;
выявлены наиболее значимые по степени влияния на коэффициент избытка воздуха диагностические параметры;
разработан новый метод диагностирования и комплекс для его осуществления, позволяющие выявлять конкретные неисправности двигателя и его систем;
дано экономическое обоснование разработанного диагностического комплекса.
Объект исследования - автомобильные бензиновые двигатели с распределённым впрыском топлива и их электронная система управления.
Предмет исследования - процесс диагностирования автомобильных бензиновых двигателей с распределённым впрыском топлива и влияние его параметров на выявление конкретных неисправностей двигателя и его систем.
Научная новизна исследования состоит в развитии теоретико-методических положений, разработке научных и практических методов, математических моделей улучшения качества технического сервиса легковых автомобилей.
На защиту выносятся наиболее значимые результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
- научно-методические подходы к исследованию влияния неисправностей автомобильного двигателя и его систем на значения диагностических параметров;
- статистико-математическая модель корреляционной связи неисправностей и диагностических параметров двигателей внутреннего сгорания (ДВС);
- научно-методические исследования и анализ влияния диагностических параметров (факторов) на коэффициент избытка воздуха ДВС и выявлены наиболее значимые факторы;
- теоретико-методические разработки и инновационный метод определения конкретных неисправностей ДВС на основе суммарных интегральных показателей неисправностей;
- новизна технических решений реализована при разработке диагностического комплекса и его алгоритма работы для определения конкретных неисправностей ДВС (патент на изобретение принят к рассмотрению).
Практическая ценность. Использование разработанного метода определения конкретных неисправностей ДВС и его систем и диагностического комплекса в технологическом процессе диагностирования автомобилей на фирменных и сервисных центрах обслуживания, заводах-изготовителях и пунктах государственного технического контроля, позволит: а) повысить уровень качества технического сервиса автомобилей; б) значительно уменьшить трудоёмкость и стоимость диагностических работ и требования к уровню квалификации работников (диагностов).
Реализация результатов работы. Разработанный метод диагностирования автомобильных бензиновых двигателей и диагностический комплекс внедрён в производственный процесс ЗАО ПФ «Автостар» и ООО «СТО-ТСС Кавказ» (г. Пятигорск). Результаты проведённых исследований используется в учебном процессе ГОУ ВПО Пятигорского государственного технологического университета при проведении занятий в специализированной лаборатории «Диагностика и техническое обслуживание автомобилей» со студентами специальностей 190603 – Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт) и 190702 - Организация и безопасность движения при изучении дисциплин «Современные средства технической диагностики автомобилей», «Компьютеры в автомобиле», «Автомобильные компьютерные системы», «Техника транспорта, обслуживание и ремонт» и др., а также на курсах повышения квалификации инженерно-технических работников «Компьютерная диагностика автомобилей».
Апробация. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на 5-ти международных научно-практических конференциях «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (Тюмень, 2009), «Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем» (Челябинск, 2009 и 2010), «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2009), на научных конференциях «Дни науки» (Пятигорск, 2007,2008), «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза 2010) и на научных семинарах кафедр «Сервис автомобильного транспорта и транспортного оборудования» ПГТУ, «Управление на автотранспорте» Липецкого ГТУ.
Личный вклад автора заключается в формировании идеи и цели диссертационной работы, в постановке задач и их решения, в разработке методологических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов в создании эффективного инновационного диагностического комплекса на всех этапах выполнения диссертации – от научного поиска до реализации их в практике.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, из них 3 статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных «Перечнем ВАК РФ».
Структура и объём работы. Структура и последовательность изложения результатов диссертационной работы определены целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, трёх глав, основных результатов и выводов, содержит 207 стр. текста, 12 табл., 32 рис. Библиографический список включает 157 наименований.
Исследования в области диагностирования
На современном этапе развития техники главная роль отводится новейшим технологиям, основанным, на электронно-вычислительной технике. Учёные продолжают поиск решений по созданию искусственного интеллекта, который позволит решить ряд проблем, связанных с процессами автоматизации, в том числе и в автомобильной диагностике.
Для создания новых методов диагностирования и дальнейшего применения их в диагностических комплексах нового поколения с возможностью использования искусственного интеллекта проводится ряд исследований, связанных с изучением диагностических параметров и их взаимосвязей на разных уровнях сложности [5, 48, 94,17, 3, 54, 55, 20, 117, 8, 98, 23, 40, 89, 24, 47, 92, 102, 86, 56, 14, 61, 66,73,36,60,18,72].
Проанализировав и изучив данный вопрос, нами было выявлено, что наиболее интенсивно проводились исследования в области разработки алгоритмов постановки диагноза двигателя автомобиля с использованием параметров неравномерности вращения коленчатого вала двигателя, на основе применения обучаемых деревьев решений, которые позволяют определить цилиндры двигателя с наименьшей эффективностью работы [5J.
Также проводились исследования, в которых устанавливалось, что по анализу параметров системы зажигания можно судить о техническом состоянии двигателя [48]. Поэтому в связи с развитием электронной техники стало возможным создавать устройства для обработки информации и получения сведений о состоянии двигателя. Экспериментально выявлена возможность определения компрессии и зазора между электродами свечи зажигания по величине пробивного напряжения и времени горения дуги с помощью разработанных математических моделей, описывающих связь между названными параметрами. Данная система из-за узкого ряда измеряемых параметров позволяет определять неисправности только в системах двигателя.
В [94] приведены данные о степени влияния неисправных агрегатов и узлов автомобиля, а также их конструктивных параметров на токсичность, дымность отработавших газов и расход топлива. Показано, что эксплуатация неисправных автомобилей может увеличить расход топлива на 40-50 %, а токсичность отработавших газов - в несколько раз. Рассмотрены организационно-технические и технологические мероприятия, обеспечивающие повышение экологической безопасности автомобилей и соответствующие действия инженерно-технической службы. Даны рекомендации по совершенствованию контроля токсичности и оснащённости производственных подразделений предприятий современным технологическим оборудованием.
В [17] представлены результаты проведённых исследований, в результате которых накоплена база диагностических осциллограмм электронных компонентов автомобиля, использование которых на диагностических постах автотранспортных средств позволит поднять качество технического обслуживания.
Немаловажным является процесс изменения состояния механической системы во времени, так как он имеет вероятностный характер. В этой связи в [3] изучается момент достижения системой предельного состояния, и допустимые значения диагностических параметров, которые могут являться случайными величинами.
Поэтому при оценке состояния системы необходимо учитывать статистические характеристики распределения значений диагностических параметров для дальнейшего применения этих знаний при создании новых и совершенствовании известных диагностических комплексов.
Известны также исследования в области теоретического обоснования, постановки и решения задач диагностирования ДВС на основе использования системного подхода и современных информационных технологий; разработки многоуровневой системы и технологии диагностирования двигателей с ЭСУД; совершенствования метода получения системных выходных показателей ДВС в зависимости от технического состояния ЭСУД; разработки методики диагностирования функциональных подсистем ЭСУД; разработки методики диагностирования элементов ЭСУД. Также исследования позволяют разработать процессы выявления и локализации отказов ЭСУД [20].
Научные подходы к разработке методик измерения диагностических параметров
В процессе экспериментальных исследований было предусмотрено: 1) изучение влияния неисправностей двигателя и электронной системы управления на диагностические параметры; 2) моделирование следующих наиболее характерных неисправностей: - увеличенный до 1,5 мм зазор между электродами свечи зажигания; - пониженное до 200 кПа давление топлива в топливной магистрали; - пониженная компрессия в цилиндре двигателя; - обрыв электрической цепи датчика детонации; - низкий уровень сигнала датчика массового расхода воздуха; - засорение воздушного фильтра на 50 %; - низкий уровень сигнала датчика температуры охлаждающей жидкости (замыкание цепи); - высокий уровень сигнала датчика температуры охлаждающей жидкости (обрыв цепи); - низкий уровень сигнала датчика положения дроссельной заслонки; - высокий уровень сигнала датчика положения дроссельной заслонки; - ошибка датчика фаз газораспределения (сигнал отсутствует); - негерметичность впускного коллектора (подсос воздуха); - засорение каталитического нейтрализатора на 60 %; - засорение каталитического нейтрализатора на 90 %; - неисправность топливной форсунки, связанная с отсутствием подачи топлива; - неисправность топливной форсунки, связанная с её негерметичностью. 3) определение значений следующих диагностических параметров, максимально отображающих техническое состояние как двигателя, так и его электронной системы управления: - содержание несгоревших углеводородов в отработавших газах; - содержание оксида углерода в отработавших газах; - содержание диоксида углерода в отработавших газах; - содержание кислорода в отработавших газах; - время впрыска топлива форсункой; - массовый расход воздуха двигателем; - угол опережения зажигания; - величина напряжения датчика кислорода; - величина напряжения датчика детонации; - коэффициент коррекции времени впрыска; - разрежение во впускном коллекторе; - величина напряжения пробоя на электродах свечи зажигания. Общеизвестно, что режимы холостого хода и максимального крутящего момента являются более эффективными при диагностике автомобильных двигателей по сравнению с другими режимами. Поэтому диагностирование двигателя внутреннего сгорания и его электронной системы управления целесообразно проводить именно на этих режимах. Следовательно, исследования проводились для двух режимов работы двигателя: - 1-й режим (режим холостого хода), когда частота вращения коленчатого вала составляла Пі = 840 мин 1; - 2-й режим (режим максимального крутящего момента) при п2= 3000 мин 1. Экспериментальные исследования проводились с применением современного диагностического оборудования на автомобилях производства ОАО «АВТОВАЗ» моделей ВАЗ 21093, ВАЗ 2114 и ВАЗ 2110 с электронной системой управления двигателем, основанной на электронных блоках управления «Январь-5.1», «Январь-7.2» и «BOSCH М7.9.7» с системой нейтрализации отработавших газов. Конструкция двигателей данных автомобилей и алгоритмы работы электронной системы управления двигателями позволяют проводить измерения необходимых параметров, отображающих однотипную диагностическую информацию. При проведении экспериментальных исследований диагностические параметры электронной системы управления двигателем измерялись при помощи специализированного диагностического комплекса МТ-10 производства НПП НТС "Техносервис", который включает в себя персональный компьютер с загруженным программным обеспечением МТ-10, адаптер KR-4 и набор соединительных кабелей (рис. 2.1). Диагностический комплекс МТ-10 применяется для проведения технического обслуживания и ремонта автомобилей на предприятиях и при производстве автомобилей и может быть использован в исследовательских целях. Диагностический комплекс (рис, 2.1) с помощью специального соединительного кабеля через адаптер подключается к автомобильному разъёму диагностики. Роль адаптера KR-4 заключается в согласовании диагностического интерфейса автомобильной электронной системы управления, соответствующего стандартам IS09141 и ISO14230, с персональным компьютером в составе программного обеспечения МТ-10. В основе работы адаптера KR-4 лежит принцип сбора, обработки и передачи диагностической информации в соответствии с программным обеспечением, хранящимся в памяти устройства. Корпус адаптера KR-4 представлен на рис. 2.2 и имеет разъем диагностики, который предназначен для передачи диагностических данных по K-line и L-line, соответствующих стандартам IS09141 и ISO14230-1, а также для подключения питания. Разъем 10-BASE предназначен для передачи данных от адаптера к персональному компьютеру по сетевому кабелю, разъем 12В - для подключения от внешнего источника питания при автономной работе адаптера, а разъем расширения - для подключения внешних устройств согласования и измерения.
Величина напряжения пробоя на электродах свечи зажигания (фактор хп)
Для исправного автомобиля марки ВАЗ напряжение пробоя на свечах зажигания для режима холостого хода (Пі = 840 мин 1) составляет 14 кВ, для режима максимального крутящего момента (п2 = 3000 мин1) - 5 кВ (таблицы 2.1 и 2.2).
Известно, что эффективность сгорания топливной смеси также зависит от величины напряжения пробоя на электродах свечи зажигания [87, 1]. С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя значение этого фактора существенно снижается. На рис. 6 представлен график зависимости напряжения пробоя на электродах свечи зажигания от частоты вращения коленчатого вала двигателя, полученный на основании экспериментальных исследований.
Из графика видно, что при нормальной работе двигателя на режиме холостого хода напряжение пробоя искрового промежутка составляет 14 кВ, а на режиме максимального крутящего момента 4 кВ (таблицы 2.1 и 2.2). Дальнейшее увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к плавному уменьшению напряжения пробоя до появления пропусков воспламенения, когда система зажигания не может обеспечить нормальную работу двигателя и как следствие, топливная смесь перестаёт гореть, и значение коэффициента избытка воздуха значительно увеличивается.
Поэтому не случайно, что на режиме холостого хода согласно проведённому анализу нормированного коэффициента регрессии данный фактор выдвинут на пятое место по степени влияния на-коэффициент избытка воздуха X, а при режиме максимального крутящего момента на. последнее место по степени влияния на величину X.
Вследствие высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя угол опережения зажигания смещается в раннюю сторону, в результате чего зажигание смеси происходит при более низком давлении в цилиндре двигателя (рис. 2.18), а это значит, что даже уменьшенное в результате неисправности напряжение пробоя на электродах свечи зажигания позволяет обеспечить воспламенение топливной смеси.
Согласно результатам экспериментальных исследований максимальное напряжение пробоя (17 кВ) на электродах свечи зажигания наблюдалось на режиме холостого хода при увеличенном зазоре между электродами свечи зажигания до 1,5 мм и неисправности топливной форсунки, когда отсутствует подача топлива. На режиме максимального крутящего момента напряжение пробоя не превышало своего номинального значения 5 кВ. Влияние неисправностей на величину напряжения пробоя представлены в таблице 2.6.
Было установлено; что увеличение зазора между электродами свечи; зажигания приводит к незначительному увеличению коэффициента избытка, воздуха (1,03) из за- повышения мощности искрового разряда. В свою очередь, увеличение X до 1,5 при отсутствии подачи топлива приводит ю увеличению напряжения пробоя вследствие обеднения топливной смеси:
К уменьшению напряжения пробоя приводят неисправности, связанные с обогащением топливной смеси: негерметичность топливной форсунки; низкий сигнал датчика массового расхода воздуха; засорение воздушного фильтра и неисправность датчика положения дроссельной заслонки. Во всех случаях падение напряжения пробоя связано с обогащением топливной смеси, при которой создаётся токопроводящая среда вследствие большого количества плотно упакованных топливных молекул:
Обобщая вышеизложенное, можно прийти к выводу, что неисправности приводят к изменению напряжения пробоя на электродах свечи зажигания, что оказывает существенное влияние на процесс горения топлива в камере сгорания и( как следствие, на величину коэффициента избытка воздуха X.
Проектирование экспертной системы (метода) диагностирования бензиновых двигателей
Из выше описанного следует, что в основу проектирования экспертной системы для диагностирования бензиновых двигателей лёг продукционный метод, основанный на использовании правил. На основании- правил «ЕСЛИ-ТО» и-- «И/ИЛИ» выявляются диагностические параметры, значения которых находятся в нормативных пределах, установленных производителем, а также вышли за пределы максимального и минимального нормативных значений; На основании чего вводится троичная система измерений (соответственно 0, +1 и -1) диагностических параметров, перемножается значение каждого параметра (во введённой системе измерений) на среднеарифметическое значение предельных его значений, суммируются значения полученных, произведений? и определяется интегральный показатель неисправностей, численное значение которого вместе с именем неисправности вносится в базу данных программного обеспечения комплекса, где снова на основании правил определяется конкретная неисправность; Имея базу данных с рядом максимально возможных неисправностей, можно точно выявить конкретную неисправность, что значительно сокращает трудоёмкость диагностических работ и их стоимость.
В случае отсутствия в базе данных численного значения подсчитанного интегрального показателя неисправности имя неисправности выявляется в ходе ремонтных работ и добавляется в базу данных. В основу принципа действия экспертной системы положены следующие правила. Полученные абсолютные значения параметров xi,x2,x3,- ,x\2, описанные в разделе 2.3, наиболее полно характеризуют работу двигателя и его систем и переводятся в троичную систему измерений следующим образом (рис. 3.3). «ЕСЛИ» измеренное значение диагностического параметра Щ СООТВеТСТВуеТ УСЛОВИЮ хітж Хі — Хітт, Т. Є. OHO НЭХОДИТСЯ внутри допустимого, предела, «ТО» это значение в троичной- системе измерений принимает значение, равное 0 (Х;=0"). «ЕСЛИ» абсолютное значение параметра xt соответствует условию хі хітіп, «ТО» в троичной системе измерений оно обозначатся как x t = -1. На основании нормативных предельных значений диагностических параметров, установленных производителем, подсчитывается среднеарифметическое из предельных нормативных значений imax и Ximm каждого параметра по формуле После перемножения значений Щ и хн.срл и сложения полученных произведений подсчитывается предлагаемый интегральный показатель неисправности Уравнение (3.2) фактически характерно для общих неисправностей, несвязанных с конкретными цилиндрами двигателя. Поэтому не подходит для определения интегральных показателей таких неисправностей, как: неисправность свечи зажигания; пониженная компрессия в цилиндре двигателя; неисправность топливной форсунки, связанная с отсутствием подачи топлива; неисправность топливной форсунки, связанная с её негерметичностью. Отмеченные неисправности, относящиеся к конкретным цилиндрам двигателя, сказываются на величине напряжения пробоя между электродами свечей зажигания (фактор іг) для каждого цилиндра по-своему. Поэтому для выявления конкретных неисправностей относящихся к конкретным цилиндрам слагаемое уравнения (3.2), относящееся к этому фактору, определяется по выражению где xi2 и хн.срЛ2- значения напряжения пробоя между электродами свечи зажигания в троичной системе измерений и его среднеарифметическое из предельных значений для одной из четырёх вышеперечисленных неисправностей; к„ - номер соответствующего цилиндра двигателя. Таким, образом, уравнение (3.2) можно представить в следующем виде Если диагностируется исправный автомобиль, то значения #i, х2, х2 - . х \2 равны нулю: и, как следствие, равен нулю интегральный показатель неисправности. При наличии любой-неисправности, вызывающей, отклонения параметров , за их нормативные пределы, показатель НD принимает отличающееся для каждой неисправности значение. Вычисленные для каждой неисправности интегральные показатели вместе с именем неисправности вносятся в соответствующую базу данных.
