Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных методов и средств дистанционного контроля состояния узлов автомобиля 19
1.1. Описание объекта контроля 19
1.2. Описание основных узлов объекта контроля 23
1.3. Контролируемые параметры основных узлов и неисправности, вызываемые несвоевременной диагностикой 27
1.4. Существующие методы контроля состояния узлов автомобиля 34
1.5. Современные приборы диагностики узлов объекта контроля 38
1.6. Системы и комплексы дистанционного мониторинга, и их недостатки 46
1.7. Постановка задачи исследования 53
Глава 2. Физические основы неразрушающего контроля состояния основных узлов автомобиля 55
2.1. Современные датчики оценки технического состояния узлов автомобиля 55
2.2. Физические основы работы датчика скорости автомобиля основанного на эффекте Холла 58
2.3. Принцип действия пьезоэлектрического датчика детонации в двигателе внутреннего сгорания 62
2.4. Особенности функционирования датчика абсолютного давления тензорезистивного типа 64
2.5. Основные параметры терморезистивного датчика температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения 67
2.6. Особенности эксплуатации управляющего датчика кислорода гальванического типа в системе подачи топлива 72
2.7. Физические основы работы потенциометрического датчика положения дроссельной заслонки в системе подачи топлива 74
Глава 3. Теоретические основы методов и средств дистанционного неразрушающего контроля основных узлов автомобиля 77
3.1. Основные характеристики и показатели надежности 77
3.2. Теоретические основы диагностики 81
3.3. Классификация датчиков по приоритетам безопасности дорожного движения, экологической и технической работоспособности 90
3.4. Реализация мультиплексной шины передачи данных на примере CAN шины 94
3.5. Применение стандарта диагностики ODB - II 96
3.6. Сравнение современных технологий беспроводной передачи данных...99
3.7. Расчет пропускной способности сети передачи данных 104
3.8. Алгоритмы интерполяции для графического анализа данных 108
Глава 4. Научно-методические гоинципы дистанционного неразрушающего контроля и диагностики 113
4.1. Требования к методам и средствам дистанционного неразрушающего контроля 113
4.2. Современные алгоритмы диагностики неисправностей 114
4.3. Требования к погрешности измерения 121
4.4. Информативность диагностических параметров 127
4.5. Метрологическое обеспечение методов и средств дистанционного контроля 129
4.6. Методика дистанционной диагностики и контроля состояния узлов автомобиля 132
4.7. Принципы построения центра обработки данных и повышения отказоустойчивости комплекса 137
Глава 5. Программно-аппаратный комплекс дистанционного неразрушающего контроля основных узлов автомобиля 142
5.1. Описание комплекса дистанционной диагностики и контроля состояния узлов автомобиля 142
5.2. Функциональная схема диагностического устройства, устанавливаемого на объекте контроля 144
5.3. Функциональная схема построения центра обработки данных 149
5.4. Принципы работы интеллектуальной системы определения неисправности 152
5.5. Алгоритмы работы программно-аппаратного комплекса 158
5.6. Программное обеспечение комплекса дистанционной диагностики 162
5.7. Структура базы данных программного комплекса 170
Глава 6. Экспериментальные исследования неразрушающего контроля и диагностики состояния узлов автомобиля, на основе разработанного программно-аппаратного комплекса 177
6.1. Описание экспериментальной установки и параметров эксперимента.. 177
6.2. Данные полученные в мониторинговом режиме работы 181
6.3. Примеры неисправностей выявленных при работе в диагностическом режиме 183
6.4. Статистика распределения обращений по специалистам службы поддержки 195
6.5. Классификация объектов контроля по количеству критических ситуаций различного типа и уровня 199
6.6. Техническая и экономическая эффективность результатов диссертационной работы 203
6.7. Перспективы дальнейших исследований по тематике диссертационной работы 204
Основные результаты диссертационной работы 205
Список использованной литературы и ресурсов интернет 208
Приложение 1 214
- Контролируемые параметры основных узлов и неисправности, вызываемые несвоевременной диагностикой
- Особенности функционирования датчика абсолютного давления тензорезистивного типа
- Классификация датчиков по приоритетам безопасности дорожного движения, экологической и технической работоспособности
- Методика дистанционной диагностики и контроля состояния узлов автомобиля
Введение к работе
Транспорт, наряду с другими инфраструктурными отраслями, обеспечивает базовые условия жизнедеятельности общества и является важным инструментом достижения социальных, экономических, внешнеполитических целей. Транспорт - не только отрасль, перемещающая грузы и людей, но, в первую очередь, межотраслевая система, формирующая условия жизнедеятельности и хозяйствования.
Стабильное развитие транспорта является гарантией единства экономического пространства, свободного перемещения товаров и услуг, конкуренции и свободы экономической деятельности, обеспечения целостности России и ее национальной безопасности, улучшения условий и уровня жизни населения.
Общая численность автомобильного парка Российской Федерации за последние 13 лет выросла в два раза. Численность легковых автомобилей — в 2,3 раза. За период с 1992 г. по 2008 г. среднегодовой прирост численности легковых автомобилей в Российской Федерации составил 7,9% (рис. 1). Для сравнения: в большинстве стран Европы и Северной Америки с развитой автомобилизацией такой прирост равен 2,4%.
В 2006 г. Россия заняла пятое место по продажам автомобилей в Европе после Германии, Великобритании, Италии и Франции. На внутреннем рынке в Российской Федерации продано немногим более двух миллионов единиц легковых автомобилей. В 2007 году на российском рынке было реализовано 2,54 млн. автомобилей, что на 23,8% больше, чем в 2006 году. В 2008 году рост продаж новых автомобилей составил рекордные 47%. Россия находится на этапе, когда прирост валового продукта способствует быстрому увеличению уровня автомобилизации населения. Следует ожидать, что дальнейший рост валового продукта в ближайшее время приведет к еще более высокому росту автомобилизации.
Хорошо известные в Европе негативные последствия автомобилизации все более явственно проявляются и в России. Это и растущий уровень дорожной аварийности, и активное загрязнение окружающей среды, и угроза транспортного коллапса.
Для комплексного решения проблем экологической безопасности, безопасности дорожного движения, оптимизации транспортных потоков и контроля технического состояния транспортных средств, предотвращения отказов и вынужденного простоя на социальном транспорте уже не достаточно разрозненных мер и механизмов контроля.
2000 2001 ?nm ілім ~~1 ' ~* —
-002 2003 2<им 2005 2006 2оо? 2оо8
Рисунок 1. Количество транспортных средств зарегистрированных в России (млн. ед.) За 9 месяцев (январь-сентябрь) 2008 года в Российской Федерации произошло 156779 дорожно-транспортных происшествий, в результате которых погибли 20992 человека, а 195213 человек получили ранения. 10164 ДТП произошло по вине водителей, находившихся за рулем в состоянии опьянения, в результате этих ДТП 1743 человека погибли, а 14848 человек получили ранения. За указанный период произошло 16759 ДТП с участием детей, в которых 766 детей погибли, а 17429 детей получили ранения (рис. 2). Дорожно-транспортные происшествия представляют собой серьезную проблему для Российской Федерации. Риск погибнуть в ДТП в России в пять
раз выше, чем в странах Западной Европы, поэтому наша страна обладает очень высоким потенциалом в части снижения уровня аварийности. В связи с опережающими темпами роста численности парка транспортных средств и автомобилизации населения по сравнению с темпами роста протяженности дорог общего пользования обеспечение безопасности дорожного движения является одной из приоритетных задач, стоящих в настоящее время перед Российской Федерацией.
Основными видами дорожно-транспортных происшествий в России являются наезд на пешехода, препятствие и на стоящее транспортное средство, а также столкновение и опрокидывание. Свыше 75% всех дорожно-транспортных происшествий связаны с нарушениями водителями транспортных средств Правил дорожного движения Российской Федерации. Около 30% всех происшествий связаны с неправильным выбором скорости движения. Вследствие выезда на полосу встречного движения регистрируется около 13% дорожно-транспортных происшествий. Рост ущерба по ДТП представлен в таблице 1.
человек 35000 34500 34000 33500 33000 32500 32000 31500 31000 30500 30000
Рисунок 2. Число погибших в ДТП в 2004-2007 гг.
Современный уровень обеспечения автомобилями в городах уже превысил 200 штук на 1 тыс. жителей, тогда как дорожно-транспортная инфраструктура соответствует уровню 60-100 штук на 1 тыс. жителей.
Следствием такого положения дел являются ухудшение условий дорожного движения, нарушение экологической обстановки, увеличение количества заторов, расхода топлива, а также рост количества дорожно-транспортных происшествий. В настоящее время в городах и населенных пунктах происходит более 70% всех дорожно-транспортных происшествий. Темпы увеличения количества лиц, пострадавших в результате дорожно-транспортных происшествий в городах, опережают темпы увеличения количества дорожно-транспортных происшествий. Почти 60% дорожно-транспортных происшествий в городах приходится на столицы и административные центры субъектов Российской Федерации.
Таблица 1 Социально-экономический ущерб от ДТП по видам в 2006 г.
Усугубление обстановки с аварийностью и наличие проблемы обеспечения безопасности дорожного движения требуют выработки и реализации долгосрочной государственной стратегии, координации усилий государства и общества, концентрации федеральных, региональных и местных ресурсов, а также формирования эффективных механизмов
взаимодействия органов государственной власти Российской Федерации, органов государственной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления, общественных институтов и негосударственных структур при возможно более полном учете интересов граждан.
Высокий уровень дорожно-транспортного травматизма в нашей стране обусловливает усиление внимания к данной проблеме, прежде всего со стороны исполнительной власти, которая и призвана осуществлять государственное управление. За последние годы государственно-управленческая деятельность в области обеспечения безопасности дорожного движения вышла на качественно новый уровень. В ноябре 2005 г. проведено заседание президиума Государственного Совета Российской Федерации по вопросу "О состоянии безопасности дорожного движения и мерах по совершенствованию государственного управления в области обеспечения безопасности дорожного движения".
По итогам заседания были даны поручения Президента Российской Федерации, в соответствии с которыми принято решение о разработке федеральной целевой программы "Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах". Программа утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 20 февраля 2006 г. № 100. В силу этого ФЦП приобрела статус документа государственно-властного характера, обязательного для исполнения на всей территории страны, и стала основой национальной стратегии в области обеспечения безопасности дорожного движения.
Цели федеральной целевой программы:
сокращение числа погибших в ДТП к 2012 году в 1,5 раза по сравнению с 2004 годом. (2004 г. - 34,5 тыс. чел.; 2012 г. - 23 тыс. чел.)
сокращение числа ДТП с пострадавшими к 2012 году по сравнению с 2004 годом на 10%. (2004 г. - 208,6 тыс.; 2012 г. - 187,7 тыс.)
снижение социально-экономического ущерба только от гибели людей -25 млрд. рублей.
Несмотря на чрезвычайно высокие темпы автомобилизации, благодаря своевременно принимаемым мерам, существенно замедлились темпы роста количества ДТП с пострадавшими (рис.3, 4). По отношению к базовому 2004 году число погибших снизилось на 1198 человек. Число пострадавших детей уменьшилось на 1173 чел.
Рисунок 3. Замедление темпов роста показателей аварийности 2004-2007.
Ключевым направлением в деятельности по обеспечению безопасности движения является защита жизни и здоровья его участников. Снижение числа погибших может быть достигнуто активным и целенаправленным внедрением комплекса мер, способных нейтрализовать или, по крайней мере, смягчить тяжесть последствий ДТП. В целом же по абсолютным показателям состояния аварийности обстановка в стране остается сложной. Здесь следует целенаправленно и системно наращивать усилия по предупреждению дорожно-транспортных происшествий, а главное - снижению общего уровня дорожно-транспортного травматизма.
Для того, чтобы добиться поставленных целей по снижению показателей аварийности на дорогах необходимо обратить особое внимание на выполнение водителями правил дорожного движения, соблюдения скоростных режимов, содержание автомобилей в исправном техническом состоянии. Халатное отношение к своевременному техническому
обслуживанию транспорта может служить причиной не только простоя автотранспорта для проведения сложных ремонтов, но и серьезных дорожно-транспортных происшествий с возможными человеческими жертвами.
Рисунок 4. Важнейшие индикаторы федеральной целевой программы "Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах" В табл. 2, табл. 3 представлены ожидаемые показатели аварийности в условия отсутствия программно-целевого метода и динамика достижения показателей программы.
Таблица 2 Ожидаемые показатели аварийности в условиях отсутствия программно-целевого метода
Необходимо отдельно отметить важность разработок направленных на повышение безопасности дорожного движения общественного транспорта и транспорта осуществляющего перевозки грузов. В отличие от частного легкового автотранспорта они несут дополнительную высокую социальную нагрузку. Социальный транспорт наряду с грузоперевозками - является важной межотраслевой системой.
Таблица 3 Ожидаемая динамика достижения показателей Программы
Обеспечение безотказной работы транспорта невозможно без своевременного контроля технического состояния транспортных средств, соблюдения регламента технического обслуживания, своевременного медицинского контроля водителей. Дополнительными инструментами, оптимизирующими работу транспорта, являются контроль и оптимизация маршрутов передвижения, контроль выполнения скоростных режимов.
На социальном транспорте и грузовом транспорте, перевозящем опасные грузы особую важность принимает не только контроль за техническим состоянием основных узлов автомобилей и методы диагностики, позволяющие определить точную неисправность и устранить ее в кратчайшие сроки, но методы контроля позволяющие повысить безопасность движения на дорогах. Для такого вида транспорта важно применение систем, которые акцентируют внимание на параметрах
автомобиля, критичных именно для безопасности дорожного движения. С этой целью необходимо увеличить степень контроля за погодными условиями, условиями освещенности, соблюдением скоростного режима, адекватностью действий водителя. А так же за техническими узлами автомобилей, непосредственно влияющими на безопасность дорожного движения.
Важным аспектом эксплуатации автомобилей является выполнение норм экологической безопасности. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. В результате по России, из суммарного выброса автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество только канцерогенных веществ: 27 тыс. тонн бензола, 17,5 тыс. тонн формальдегида, 1,5 тонн бензапирена и 5 тыс. тонн свинца. В целом, общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает цифру в 20 млн. тонн. Необходимо отметить, что с точки зрения наносимого экологического ущерба, автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха - 95%, шум -49,5%, воздействие на климат - 68%. Поэтому контроль соблюдения экологических норм является так же приоритетной задачей, особенно в крупных городах.
Применение систем дистанционной диагностики автотранспортных средств, учитывающих специфику объекта контроля и формирующих полный цикл диагностики от снятия контролируемых параметров, первичной обработки и контроля, организации передачи для последующего анализа с помощью интеллектуальных систем и до проработки отказоустойчивой инфраструктуры хранения, обслуживания и отображения данных с применением различных технологий доступа, позволит решить не только проблемы своевременного обслуживания транспортных средств, организации и поддержании норм их эксплуатации, превентивной диагностики и замены
основных узлов и диагностики перемежающихся неисправностей, но и значительно повысить безопасность дорожного движения на социально важных маршрутах.
Целью исследования является повышение безопасности эксплуатации социального автотранспорта на основе совершенствования современных методов и приборов неразрушающего контроля физико-механических характеристик состояния основных узлов автомобиля и диагностики неисправностей и дефектов. А также разработка программно-аппаратного комплекса реализующего усовершенствованные методы диагностики, интеллектуальную систему определения неисправности и организацию построения комплекса с учетом требований отказоустойчивости.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи:
Провести анализ работы основных узлов объекта контроля, выявить параметры основных узлов, требующие контроля и перечислить угрозы отказа работоспособности и безопасности дорожного движения, вызываемые несвоевременной диагностикой;
Классифицировать параметры контроля по степени критичности для безопасности дорожного движения, экологической и технической безопасности;
Провести анализ существующих методов и средств диагностики основных узлов автомобиля, анализ существующих методик и алгоритмов диагностики автотранспорта;
Разработать методику диагностики, позволяющую выявлять причины перемежающихся неисправностей узлов транспортного средства;
Разработать унифицированный аппаратный комплекс диагностики с учетом специфики современного контроля состояния электронных и механических систем автомобиля;
Разработать программный комплекс, основанный на технологии «клиент-сервер» с внедрением современных систем безопасности, хранения и
передачи данных, реализующий интеллектуальную систему диагностики и определения неисправностей;
- Провести экспериментальные исследования эффективности
применения комплекса на парке автомобилей различных моделей.
Объект исследования. В качестве объекта исследования были выбраны пассажирские микроавтобусы Газель 322132 различных годов выпуска, как наиболее массовое транспортное средство в современных пассажирских перевозках. Для подтверждения универсальности разрабатываемого решения также рассматривались микроавтобусы Мерседес Виано (Mercedes Viano), как наиболее перспективный и технически оборудованный альтернативный вариант. При выборе объекта исследования учитывались следующие факторы:
Объект должен являться наиболее массовым транспортным средством для организации социальных перевозок автотранспортом;
Широкое распространение конструкции, облегчающее сбор и обработку информации о техническом состоянии и диагностике причин отказов;
Принципиальная и практическая возможность проявления всех видов дефектов и неисправностей, что сделало бы разрабатываемую методику универсальной;
К объекту должны применяться уже существующие методики оценки технического состояния.
Методы исследования. Основными методами исследования являлись методы дистанционного неразрушающего контроля основных деталей и узлов социального автотранспорта, ответственных за их безопасность в процессе эксплуатации. Основными направлениями исследований являлся комплексный подход к созданию алгоритмов и методик сбора, первичной обработки, передачи и анализа информации по состоянию основных узлов автомобиля, разработке программно-аппаратных средств реализующих эти методики и алгоритмы диагностики. Акцент был выбран на сочетание
теоретической информации по принципам и алгоритмам современной диагностики и типам датчиков неразрушающего контроля, наиболее часто применяемым на современных автомобилях, разработке программного комплекса анализа параметрической информации и интеллектуальной системы определения неисправности, моделировании взаимодействия компонентов разрабатываемого комплекса.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в комплексном подходе к решению проблем контроля состояния современного автомобильного транспорта.
Разработана методика дистанционной диагностики и телекоммуникационной передачи информации о техническом состоянии социального автотранспорта в удаленный центр обработки данных (ЦОД).
Разработана интеллектуальная система определения неисправности, реализующая методики оценки технического состояния автомобиля и принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации.
Разработаны алгоритмы сбора данных, первичной обработки, формирования пакета данных, передачи и обработки данных в ЦОД.
Разработана методика дистанционной диагностики неисправностей, позволяющая выявлять причины перемежающихся неисправностей, за счет возможности проведения диагностики в момент проявления отказа.
Разработан программно-аппаратный комплекс реализующий методику дистанционной диагностики и методы отказоустойчивости.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы предприятиями, осуществляющими эксплуатацию, техническое обслуживание и контроль технического состояния парка автомобилей. Комплекс позволит осуществлять дистанционный контроль состояния узлов транспортных средств и диагностику неисправностей, контролировать соблюдение экологических норм и правил дорожного движения. Внедрение позволит проводить диагностику перемежающихся неисправностей, за счет применения предложенной методики дистанционной
диагностики узлов автомобиля, а также значительно сократить сроки диагностики, за счет применения интеллектуальной системы определения неисправности и возможности контроля параметров в режиме реального времени. Внедрение комплекса сократит непредвиденные простои транспортных средств, за счет превентивного контроля тенденций изменения параметров узлов, и проведения своевременного ремонта или замены узлов и агрегатов. Комплекс реализует безопасный локальный и удаленный доступ к данным и отчетам с применением технологий Web Portal и VPN, с возможностью гибкого назначения персональных прав для каждого пользователя. При подключении дополнительного модуля GPS \ ГЛОНАСС возможно контролировать оптимальность маршрутов движения.
Результаты также могут быть использованы Заводом - изготовителем транспортных средств, при испытании новых моделей автомобилей в реальных условиях. За счет применения разработанной методики и комплекса ее реализующего, можно добиться высокого показателя экономической эффективности, за счет сбора статистической информации в условиях реальной эксплуатации, диагностики возникающих неисправностей различных степеней сложности и внесении соответствующих изменений в конструкцию узлов автомобиля еще до запуска в серийное производство..
Разработанный программно-аппаратный комплекс можно адаптировать для проведения централизованного дистанционного Государственного Технического Осмотра на социально важных видах автотранспорта.
Положения, выносимые на защиту
Методика телекоммуникационного дистанционного неразрушающего контроля технического состояния социального автотранспорта.
Алгоритм диагностики перемежающихся неисправностей.
Телекоммуникационная система диагностики и контроля состояния узлов современного автомобиля.
Программный комплекс распределения, хранения и обработки данных по техническому состоянию автомобилей, реализующий
интеллектуальную систему определения неисправности, алгоритмы сплайн интерполяции, основанный на технологии «клиент-сервер».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях Кафедры Приборов контроля и систем экологической безопасности СЗТУ (С.-Пб, 2008-2009), на 5-ой международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (С.-Пб, 2007), на 8-ой международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ объемом 63 страницы, из них одна - в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка из 73 наименований; изложена на 213 страницах машинописного текста; включает 33 таблицы, 97 рисунков и 3 приложения.
Контролируемые параметры основных узлов и неисправности, вызываемые несвоевременной диагностикой
Рассмотрим параметры основных узлов автомобиля, требующие контроля в процессе эксплуатации. Так же определим угрозы появления отказов и неисправностей работы узлов или автомобиля в целом, вызываемые несвоевременной диагностикой и устранением неисправностей.
Двигатель характеризуется следующими конструктивно заданными параметрами, практически неизменными в процессе эксплуатации автомобиля: объем камеры сгорания, рабочий объем цилиндра, рабочий объем двигателя, степень сжатия. Контролируемыми параметрам будут являться показатели двигателя, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей.
Выделим параметры двигателя, требующие контроля: - давление в конце такта сжатия (компрессия) - показатель технического состояния цилиндропоршневой группы и клапанов; - положение коленчатого вала - информация о моменте прохождения поршнями 1-го и 4-го цилиндров; - фазы впрыска топлива - информация о прохождении 1-го цилиндра в такте сжатия; - степень детонации; - давление масла в двигателе; - давление во впускном коллекторе; - противодавление в глушителе. При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. При недостаточном контроле и выходе параметров из рабочих диапазонов возможны возникновения следующих критических ситуаций: - недостаточное давление в конце такте сжатия может привести к падению мощности, выходе из строя клапанов, увеличению расхода; - положение коленчатого вала при некорректных показаниях приводит к полной неработоспособности двигателя, что может привести к невозможности запуска двигателя или к его неожиданной остановке; - превышение максимально допустимой частоты вращения может привести к поломке деталей ДВС. Пониженная частота холостого хода приведет к увеличению токсичности выброса ДВС, повышенному нагарообразованию на деталях цилиндропоршневой группы; - при неверном определении фазы впрыска топлива двигатель переходит в аварийный режим работы, когда впрыск осуществляется, не фазировано, а попарно параллельно это может привести к нестабильной работе ДВС (снижению мощности, перегреву); - степень детонации необходима при использовании некачественного топлива, изменении влажности, недостаточной компрессии и износу свечей. В случае неверного съема данного параметра может увеличиться расход топлива, неожиданно упасть мощность двигателя; - недостаточное давление масла приводит к «масляному голоданию» трущихся деталей, смазывающихся под давлением, что в свою очередь приводит к преждевременному износу этих деталей и выходу двигателя из строя; - неверное положение распределительного вала приводит к неправильному (не фазированному впрыску топлива), это может привести к парному впрыску топлива, что увеличивает расход топлива и увеличивает износ двигателя; - неверные показания давления во впускном коллекторе приводит к нарушению смесеобразования, детонации в двигателе, разрушению катализатора, образование нагара на клапанах; - высокое противодавление в глушителе говорит о переполнении сажевого фильтра и может привести к внезапным потерям мощности и разрыву выхлопной системы. Система управления зажиганием. При анализе работы систем управления зажиганием исследуются основные параметры искрообразования: - распределение зажигания; - угол опережения зажигания - угол, на который успевает повернуться коленчатый вал от момента возникновения искры до момента достижения соответствующим цилиндром верхней мертвой точки (ВМТ). Неисправность системы зажигания вызывает отказы, как при запуске, так и при работе двигателя: - невозможность запуска двигателя; - потери мощности; - неравномерность работы двигателя - "троение" или прекращение работы двигателя - при пропусках искрообразования в цилиндрах; - детонация, связанная с неверным моментом зажигания и вызывающая очень быстрый износ двигателя; - нарушение работы других электронных систем за счет высокого уровня электромагнитных помех. Система подачи топлива обеспечивает смесеобразование в процессе работы. Параметрами, требующими контроля, в данном узле являются: - абсолютное давление; - давление паров топлива; - давление топлива в топливной рейке; - наличие кислорода до катализатора; - наличие кислорода после катализатора; - массовый расход воздуха; - положение дроссельной заслонки; - температура всасываемого воздуха; - температура топлива; - объем топлива. Нарушение смесеобразования служит причиной следующих неисправностей: - неверное абсолютное давление и показания датчика температуры всасываемого воздуха приводят детонации, нарушению смесеобразования, разрушению катализатора, образованию нагара в камере сгорания; - чрезмерное наличие кислорода до и после катализатора может привести к увеличению расхода топлива, нестабильной работе на холостом ходу и падению мощности, вредному химическому составу выброса; - контролируя давление паров топлива можно избежать утечки и нарушения герметичности бака; - ошибочный массовый расход воздуха приводит к нарушению смесеобразование, невозможности определения пропорций смеси; - неверное число оборотов, проблемы с холостым ходом возникают при неисправностях датчика положения дроссельной заслонки.
Особенности функционирования датчика абсолютного давления тензорезистивного типа
Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Холла эффект относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.
Простейшая теория Холла эффекта объясняет появление ЭДС Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) v p O. Плотность тока в проводнике у = n evdp, где п — концентрация числа носителей, е — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует Лоренца сила: F = e[Hvap], под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном vdp и Н. В результате в обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле — поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесия еЕх = eHvdp, Ех -1/пе Hj, отсюда R = 1/пе (см3/кулон). Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов, у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (п 10 См"), R 10 (см /кулон), у полупроводников концентрация носителей значительно меньше и R-1Q (см /кулон). Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей заряда// = ет/т и удельную электропроводность
Здесь m — эффективная масса носителей, т— среднее время между двумя последовательными соударениями с рассеивающими центрами.
Иногда при описании Холла эффекта вводят угол Холла (р между током j и направлением суммарного поля Е: tg p= Е/Е=2т, где Q — циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (Ґ2т«1) угол Холла (р 2т, можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время т. Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для поликристалла), у которого га и г их— постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости аэ и ( и концентрации электронов пэ и дырок пд:
Для металлов величина R зависит от зонной структуры и формы Ферми поверхности. В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях (2т»1) коэффициент Холла изотропен, а выражения для R совпадают с формулой (2.6). Для открытых поверхностей Ферми коэффициент R анизотропен. Однако, если направление Н относительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение для R аналогично (2.6).
Рассмотрим особенности работы датчиков на эффекте Холла на автомобилях. Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта Холла и выдает на контроллер частотно-импульсный сигнал. Частота сигнала прямо пропорциональна скорости движения автомобиля. ДСА выдает примерно 6004 импульса на каждый километр пройденного автомобилем пути. По временному интервалу между импульсами контроллер определяет скорость движения автомобиля. Кроме того, данный сигнал может при неисправностях цепи соединения ДСА, контроллер заносит в ОЗУ код и зажигает индикатор "CHECK ENGINE", таким образом, указывая о необходимости диагностики.
На основе эффекта Холла работает и датчик положения коленчатого вала. Если сигнал от датчика положения коленчатого вала поступает, но параметры выходного сигнала при этом имеют отклонения от нормальных, это может привести к подёргиваниям двигателя, провалам, затруднённому пуску двигателя или невозможности запуска двигателя.
В случае ослабления крепежа, датчик может несколько сместиться относительно своего нормального положения, что может привести к механическому повреждению датчика вращающимися шторками. Значительное механическое повреждение может привести к неработоспособности датчика. Запуск двигателя становится невозможным в случае, если при прокрутке стартером двигателя, оборудованного классической системой зажигания, от датчика Холла не поступают синхроимпульсы.
Вследствие сильного перегрева, из-за дефекта при изготовлении либо из-за кратковременного замыкания сигнального вывода датчика на цепи питания, выходной ключ датчика Холла может "подгореть". Исправный датчик Холла должен обеспечивать значение напряжения низкого уровня выходного сигнала не выше 0,2 В. В случае "подгорания" выходного ключа датчика Холла, возникает зависимость значения напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика от температуры корпуса датчика. В таком случае, пока двигатель холодный, датчик может вполне исправно работать.
Но когда корпус датчика нагреваться от деталей работающего двигателя до определённой температуры, двигатель внезапно глохнет. Пуск двигателя в таком случае становится невозможным до тех пор, пока корпус датчика Холла не остынет на несколько градусов [13].Датчик детонации предназначен для преобразования механических вибраций двигателя в электрический синусоидальный сигнал, амплитуда которого пропорциональна мощности вибраций. Информация датчика позволяет блоку управления откорректировать угол опережения зажигания до устранения детонационных стуков в двигателе. Датчик представляет собой пьезоэлектрический акселерометр, который под действием механических вибраций вырабатывает ЭДС переменного тока. Амплитуда выходного сигнала датчика максимальна на частоте детонационных стуков в двигателе в диапазоне 5...6 кГц.
Детонация, т.е. взрывное воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя, вызывает сильную вибрацию и перегрев двигателя, что может привести к механическому разрушению его деталей. В основе работы датчиков детонации лежит явление пьезоэлектрического эффекта (возникновение электрических зарядов при деформации кристаллов, (Рис. 2.2, а). При сжатии или растяжении прямоугольной призмы из кварца (двуокиси кремния) по оси Z на гранях Fz появляются заряды противоположного знака (продольный пьезоэффект). Величина каждого заряда:
Классификация датчиков по приоритетам безопасности дорожного движения, экологической и технической работоспособности
Наиболее эффективное снижение токсичности отработавших газов бензиновых двигателей достигается при массовом соотношении воздуха и топлива в смеси (14,5...14,6). Данное соотношение называется стехиометрическим. При этом составе топливно-воздушной смеси каталитический нейтрализатор наиболее эффективно снижает количество углеводородов, окиси углерода и окислов азота, выбрасываемых с отработавшими газами. Для оптимизации состава отработавших газов с целью достижения наибольшей эффективности работы нейтрализатора применяется управление топливоподачей по замкнутому контуру с обратной связью по наличию кислорода в отработавших газах.
Контроллер рассчитывает длительность импульса впрыска по таким параметрам, как массовый расход воздуха, частота вращения коленчатого вала, температура охлаждающей жидкости и т.д. Для корректировки расчетов длительности импульса впрыска используется информация о наличии кислорода в отработавших газах, которую выдает управляющий датчик кислорода (УДК).
Для нормального сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха. У такой смеси коэффициент избытка воздуха К = 1. Чтобы состав отработавших газов по токсичности удовлетворял современным требованиям, смесь бензина и воздуха, попадающая в цилиндры, должна быть несколько обедненной (Х 1). При этом в отработавших газах содержится некоторое количество кислорода. Если же смесь богатая (Х 1), то концентрация кислорода в отработавших газах снижается. В системах впрыска с обратной связью это количество кислорода в отработавших газах отслеживает датчик кислорода (лямбда-зонд), по сигналам которого контроллер корректирует подачу топлива в цилиндры, поддерживая оптимальный состав рабочей смеси.
Принцип действия. Датчик (рис. 2.6) представляет собой гальванический источник тока, выходное напряжение которого зависит от концентрации кислорода в окружающей среде. Датчик имеет внешний 4 и внутренний 5 платиновые электроды, которые разделены твердым электролитом на основе диоксида циркония ZrO2. Внешний электрод омывается потоком отработавших газов с переменным парциальным давлением кислорода, а среда, окружающая внутренний электрод, имеет постоянное парциальное давление кислорода. При нагреве до высокой температуры (более 300С) диоксид циркония приобретает свойства электролита и между электродами 4 и 5 датчика возникает напряжение, пропорциональное разности парциальных давлений кислорода в окружающем воздухе (внутри датчика) и в отработавших газах [18]. Для нормальной работы датчик должен иметь температуру не ниже 300 С. Поэтому для быстрого прогрева после пуска двигателя в датчик встроен нагревательный элемент. Отслеживая выходное напряжение датчика, контроллер определяет, какую команду по корректировке состава рабочей смеси подавать на форсунки. Если смесь бедная (низкая разность потенциалов на выходе датчика), то дается команда на обогащение смеси. Если смесь богатая (высокая разность потенциалов) - дается команда на обеднение смеси. При возникновении кодов неисправности датчика кислорода контроллер осуществляет управление топливоподачей в режиме разомкнутого контура[19].
Вместе с управляющим датчиком кислорода для контроля полного сгорания топливной смеси в двигателе применяются так же датчик кислорода диагностический и датчик NOx частиц в коллекторе тоже работающие на основе гальванического эффекта. С помощью информации с этих датчиков удается не только оптимизировать смесеобразование и КПД двигателя, но и значительно снизить вредные выбросы в атмосферу.
Датчик представляет собой переменный резистор на керамической подложке и состоит из корпуса 1, печатной платы с резисторами Rl, R2, R3, R4 и подвижных контактов 3, установленных на поворотной втулке 2, закрепленной на оси дроссельной заслонки 8. При изменении положения дроссельной заслонки изменяется величина падения напряжения на переменном сопротивлении. Это напряжение подается в блок управления, который учитывает его при расчете длительности импульсов управления форсунками и угла опережения зажигания [20].
Датчик положения дроссельной заслонки автомобилей Газель установлен сбоку на дроссельном патрубке и связан с осью дроссельной заслонки. Датчик представляет собой потенциометр, на один вывод которого подается опорное напряжение контроллера, равное 5 В, а другой вывод соединен с «массой» автомобиля. С третьего вывода потенциометра (от ползунка) выходной сигнал датчика подается к контроллеру. При закрытой дроссельной заслонке выходной сигнал датчика должен быть в пределах 0,3--0,7 В. Когда дроссельная заслонка открывается (при нажатии на педаль газа), напряжение на выходе датчика начинает расти и при полностью открытой дроссельной заслонке составляет 4,05...4,75 В. Отслеживая величину выходного напряжения датчика положения дроссельной заслонки, контроллер рассчитывает величину угла опережения зажигания и длительность импульса впрыска.
Методика дистанционной диагностики и контроля состояния узлов автомобиля
Для организации широкого прикладного применения разрабатываемого программно-аппаратного комплекса необходимо уделить особое внимание вопросам стандартизации и унификации его компонентов. В большинстве современных автомобилей существуют мультиплексные шины передачи данных, по которым происходит обмен данными различных систем самодиагностики автомобиля. В автомобиле их может быть несколько, отличающихся скоростью, протоколом и набором передаваемых данных. Конфигурация и протоколы шин зависят от уровня развития систем самодиагностики автомобиля.
В пассажирском микроавтобусе Газель мод. 322132 в качестве шины обмена данными выступает диагностический разъем электронного блока управления МИКАС (стандарт K-Line). По нему и считываются параметры узлов автомобиля и ошибки системы самодиагностики. В автомобиле Mercedes Viano данными обмениваются гораздо большее количество модулей контроля параметров и самодиагностики и для обмена используются две CAN шины и одна шина LIN. Подключение датчиков и приборов неразрушающего контроля к диагностическому модулю через унифицированные шины передачи данных позволит расширить применение комплекса на автомобили разных модификаций. Для конфигурирования работы под конкретную модель автомобиля, оборудованного диагностической шиной данных необходимо лишь сменить программные настройки модуля устанавливаемого в автомобиль.
Примером мультиплексной шины передачи данных является CAN шина. Локальная сеть контроллеров CAN это стандарт серийной шины, разработанный в 80-х годах Robert Bosch GmbH, для соединения электронных блоков управления. CAN был специально разработан для устойчивой работы в насыщенной помехами окружающей среде с применением разносторонне сбалансированной линии, такой как RS-485. Соединение может быть более устойчивым к помехам при использовании витой пары. Первоначально создавалась для автомобильного назначения, но в настоящее время используется в разнообразных системах управления, в т.ч. индустриальных, работающих в насыщенной помехами окружающей среде. CAN протокол связи стандартизирован согласно ISO 11898-1 (2003). Этот стандарт главным образом описывает слой обмена данными состоящий из подраздела логического контроля (LLC) и подраздела контроля доступа (MAC), и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI модели. Остальные слои протокола оставлены на усмотрение разработчика сети [27]. Преимущества CAN: - доступность для потребителя; - реализация протокола на аппаратном уровне; - примитивная линия передачи; - превосходная способность обнаружения ошибок и сбоев и локализация неисправностей; - система обнаружения и проверки неисправностей. CAN - система на серийной шине с мультифункциональными возможностями, все CAN узлы способны передавать данные и некоторые CAN узлы могут запрашивать шину одновременно. Передатчик передает сообщение всем CAN узлам. Каждый узел, на основании полученного идентификатора, определяет, следует ли ему обрабатывать сообщение или нет. Идентификатор так же определяет приоритет, который имеет сообщение при доступе к шине. Функциональные библиотеки, наборы для начинающих, различные интерфейсы, I/O модули и инструменты в широком разнообразии представлены в открытой продаже. С 1989 года CAN микросхемы могут быть свободно и просто соединены с микроконтроллерами. В настоящее время в наличии около 50 CAN микросхем для микроконтроллеров более чем 15 производителей [28].
Каждое CAN сообщение может содержать от 0 до 8 бит пользовательской информации. Конечно, возможна передача более продолжительных данных с применением фрагментации. Максимальная специфицированная скорость обмена 1 Mbit/s. Это возможно при протяженности сети не более 40м. Для более длинной коммуникации скорость обмена должна быть снижена. Для дистанции до 500 м скорость 125 Kbit/s, и для передачи более чем на 1 км допускается скорость 50 Kbit/s.
CAN шина использует NRZ (Non-Return То Zero) с bit-stuffing. Применяется два состояния сигнала: доминантный (логический 0) и рецессивный (логическая 1). Для контроля к доступу шины применяются правила арбитража. Система контроля распределения может быть заявлена как система, в которой возможности процессора распределены среди устройств системы, или же наоборот, как система с центральным процессором и локальными I/O устройствами. При разработке CAN сети могут быть применены различные совместимые аппаратные устройства и средства неразрушающего контроля состояния узлов автомобиля, обладающие необходимыми свойствами и удовлетворяющие заданным или расчетным параметрам сети такие как, частота процессора, скорость передачи данных и другие.
В современных автомобилях существуют электронные системы, работа которых основана на параметрах автомобиля контролируемых набором датчиков на различных узлах, которые могут сигнализировать ошибку в своей работе определенным диагностическим кодом системы самодиагностики. При взаимодействии нескольких таких систем неисправность одного из параметров может вызывать некорректную работу сразу нескольких систем. Каждая из систем в момент неисправности сигнализирует кодом предполагаемую причину. Диагностика неисправности может быть значительно сокращена за счет получения важной информации из соответствующих кодов. Для унификации протоколов взаимодействия и формата сообщений этих систем разработаны стандарты диагностики. Мы подробно рассмотрим распространенный стандарт OBD-II.
Современный стандарт OBD-II обеспечивает почти полное управление двигателем, а так же частично шасси, кузовом и дополнительным оборудованием, с поддержкой диагностических функций сети управления автомобилем. На многих автомобилях применяется индикатор наличия неисправности «Check Engine Light» или MIL Индикатор наличия неисправности. Индикатор может представлять три типа сигналов. Мгновенная индикация указывает на незначительный характер неисправности. Если остается включенным, неисправность имеет опасный характер, который может отразиться на состоянии выбросов или безопасности. Постоянно переменяющийся сигнал индикатора, является признаком серьезной неисправности, которая может стать причиной значительного повреждения, и требует немедленной остановки двигателя. Во всех случаях проявления неисправности или отказа данные основных датчиков «freeze frame» записываются в память центрального компьютера автомобиля.
Если имеются критические неисправности, MIL индикатор будет включен постоянно при каждом включении двигателя, до устранения неисправности и установки MIL в исходное состояние. Ошибки переменного характера будут отражаться MIL моментальным включением, до обнаружения и устранения неисправности. Данные, записанные в центральном компьютере автомобиля, будут источником ценной диагностической информации, в некоторых случаях.
