Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА , ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Обзор методов диагностирования систем зажигания с двухвыводными катушками 10
1.2 Обзор литературы по анализу систем зажигания с применением математических моделей 34
1.3 Цель и задачи исследования 48
1.4 Выводы по главе 49
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ С ДВУХ- ВЫВОДНОЙ КАТУШКОЙ ЗАЖИГАНИЯ 51
2.1 МПСЗ с двухвыводной катушкой - как объект исследования 51
2.2 Математическая модель и схема замещения электронной системы зажигания с двухвыводной катушкой 56
2.3 Выводы по главе 66
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ С ДВУХВЫВОДНОЙ КАТУШКОЙ 68
3.1 Объект, цель и задачи экспериментального исследования 68
3.2 Экспериментальные исследования характеристик вторичной
цепи системы зажигания 69
3.3 Экспериментальное исследование первичного напряжения катушки зажигания на этапе разряда 83
3.4 Выводы по главе 86
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАЗБРОСА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ВЫХОДНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ С ДВУХВЫВОДНОЙ КАТУШКОЙ 88
4.1 Расчетное исследование влияния разброса технических параметров на требуемые и выходные характеристики системы зажигания 89
4.1.1 Исследование требуемых характеристик разрядного процесса для двигателя УЗАМ 3313 автомобиля "Москвич" 90
4.1.2 Исследование выходных характеристик МПСЗ 3313 95
4.2 Определение коэффициентов влияния разброса требуемых и выходных параметров первичной и вторичной цепей 111
4.3 Выводы по главе 118
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДОПУСКОВ НА ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ С ДВУХВЫВОДНОЙ КАТУШКОЙ 119
5.1 Некоторые вопросы определения допусков на диагностические параметры системы зажигания 119
5.2 Расчет электрических допусков на диагностические
параметры вторичной цепи системы зажигания 128
5.2.1 Определение уравнений погрешности диагностических параметров вторичной цепи системы зажигания 128
5.2.2 Методика расчета электрических допусков на диагностические параметры вторичной цепи системы зажигания 135
5.3 Методика расчета диагностических параметров первичной цепи системы зажигания 152
5.4 Разработка методики диагностирования системы зажигания двигателя УЗАМ 3313 автомобиля "Москвич" 160
5.4.1 Составление перечня неисправностей МПСЗ в случае отказа запуска двигателя 162
5.4.2 Выбор контрольных точек, составление множества проверок неисправностей 165
5.4.3 Составление ТФН, ТП и разработка алгоритма диагностирования МПСЗ в случае отказа пуска двигателя 169
5.4.4 Анализ неисправных состояний МПСЗ в случае неустойчивой работы двигателя 176
5.4.5 Разработка конструкции диагностического разъема МПСЗ и структурной схемы диагностического прибора 183
5.5 Технико-экономическое обоснование разработки системы диагностирования по первичной цепи системы зажигания 189
5.6 Выводы по главе 195
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 197
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 199
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 209
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 223
- Обзор методов диагностирования систем зажигания с двухвыводными катушками
- МПСЗ с двухвыводной катушкой - как объект исследования
- Объект, цель и задачи экспериментального исследования
- Расчетное исследование влияния разброса технических параметров на требуемые и выходные характеристики системы зажигания
- Некоторые вопросы определения допусков на диагностические параметры системы зажигания
Введение к работе
Развитие современного двигателестроения происходит в направлении повышения экономичности и снижения удельного веса при одновременном увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя и степени сжатия. Степень сжатия бензиновых двигателей составляет на сегодня порядка 9.0 - 10.0 и более. Такое повышение степени сжатия требует значительного увеличения вторичного напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи.
Максимальная частота вращения коленчатого вала автомобильных двигателей также неуклонно возрастает и в настоящее время достигает 5000-8000 мин"1, диапазон окружающей среды в подкапотном пространстве лежит в пределах -40 ...+100 С. Стремление повысить топливную экономичность двигателя заставляет использовать обеднённую смесь, для надежного воспламенения которой требуется большая длина искрового промежутка свечи, т.е. требуется большая энергия разряда. Искровой промежуток свечи лежит в пределах 0.7...1.2 мм.
Таким образом, к современной системе зажигания (СЗ) предъявляются более высокие требования: увеличение вторичного напряжения при одновременном повышении надёжности; энергия искрового разряда должна быть достаточной для воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя (15-50 мДж и более); устойчивое искрообразование в различных эксплуатационных условиях (загрязнение свечей, колебания температуры, колебания напряжения бортовой сети и т.д.); устойчивая работа при различных механических нагрузках; простота обслуживания системы; минимальное потребление энергии источников питания; минимальная масса, габариты и минимальная стоимость. Кроме того, необходимо учитывать, какие показатели двигателя являются наиболее важными: мощность, топливная экономичность, малая токсичность отработавших газов.
Такие требования могут быть удовлетворены только при использовании современных электронных систем зажигания. Перечисленные требования к системе зажигания вызвали необходимость создания новых устройств, позволяющих улучшить условия воспламенения рабочей смеси в цилиндрах.
В последнее время получили широкое распространение микропроцессорные системы зажигания (МПСЗ).
Применение МПСЗ обеспечивает снижение расхода топлива от 3 до 15%, повышение мощностных показателей двигателя до 15%, уменьшение токсичности отработавших газов. Ill
В современных автомобилях растет число дополнительного оборудования. Почти во всех автомобилях устанавливаются аудиосистемы (радиоприемники), растет количество мобильных телефонов и ряд других средств связи, в связи с этим встает вопрос о снижении радиопомех. Этот факт подчеркивает также очевидное преимущество микропроцессорных систем зажигания с низковольтным распределением энергии над традиционными системами, поскольку у них отсутствует главный источник помех - распределитель.
Применение МПСЗ на автомобилях при всех своих преимуществах связано со значительными проблемами. Одна из них -обеспечение необходимой надёжности в процессе эксплуатации.
Попадая в сложную по видам воздействия среду, которая характеризуется разнообразием вибрационных и ударных нагрузок и воздействий, различного рода загрязнениями, широким диапазоном температур, непостоянством питающего напряжения в сочетании с импульсами напряжения переходных процессов, МПСЗ должна сохранять работоспособность и обеспечивать заданные режимы работы двигателя.
Следовательно, периодический контроль технического состояния МПСЗ в период её эксплуатации на автомобиле, является необходимым условием для поддержания заданных технико-экономических показателей автомобиля в целом .
Проведение качественного и эффективного контроля МПСЗ предполагает наличие соответствующих методов и средств технического диагностирования, разработка и создание которых постоянно находится в стадии совершенствования по мере развития самих систем зажигания.
Таким образом, разработка методов и средств технического диагностирования МПСЗ является актуальной задачей на сегодняшний день.
Целью настоящего исследования является определение диагностических параметров первичной цепи системы зажигания, соответствующих по информативности диагностическим параметрам вторичной цепи, а также определение рациональных электрических допусков на диагностические параметры.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработана математическая модель электронной системы зажигания с двухвыводными катушками; предложена методика, позволяющая количественно оценить степень влияния разброса структурных параметров системы зажигания на выходные характеристики первичной и вторичной цепей; в результате исследования выходных характеристик системы зажигания выявлено, что изменение величины искрового промежутка практически не влияет на максимальное значение тока индуктивного разряда; - разработана методика определения электрических допусков на диагностические параметры первичной и вторичной цепей СЗ, основанная на использовании средних значений коэффициентов влияния погрешностей структурных параметров.
Методика исследования включает теоретический анализ рабочего процесса системы зажигания; разработку математической модели системы зажигания с двухвыводной катушкой; методы решения дифференциальных уравнений; методы математического моделирования на ЭВМ; методы физического моделирования на экспериментальной установки; расчетные исследования влияния разброса структурных параметров на выходные характеристики системы зажигания.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем: - разработана программа расчета на ЭВМ переходных процессов в системе зажигания с двухвыводной катушкой, позволяющая качественно анализировать выходные характеристики системы зажигания; на основании предложенной методики произведена количественная оценка степени влияния разброса структурных параметров системы зажигания на её выходные характеристики; предложена методика определения допусков на диагностические параметры первичной и вторичной цепей системы зажигания; - рассчитаны допуски на диагностические параметры МПСЗ автомобиля "Москвич" с двигателем УЗАМ 3313; - предложены алгоритмы диагностирования системы зажигания по первичной цепи, а также предложена структурная схема диагностического прибора для диагностирования по первичной цепи системы зажигания.
Апробация работы: основные результаты работы доложены на 54-й, 55-й научно-исследовательских конференциях МАДИ (Москва 1996,1997 г.), международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию российского автомобиля, МАМИ.(Москва 1996г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4-х печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и основных результатов и выводов, изложенных на 223 страницах, из них 138 страниц машинописного текста, рисунков 57, таблиц 45. Список литературы из 97 наименований и приложений на 16 страницах.
На защиту выносятся: математическая модель электронной системы зажигания с двухвыводной катушкой; способ оценки влияния разброса структурных параметров на выходные параметры первичной и вторичной цепей для бесконтактных и микропроцессорных систем зажигания; методика определения рациональных электрических допусков на диагностические параметры первичной и вторичной цепей системы зажигания.
Обзор методов диагностирования систем зажигания с двухвыводными катушками
Методы диагностирования систем зажигания можно разделить на две группы:
- функциональные методы диагностирования, при которых проверка системы зажигания осуществляется в рабочем режиме;
- тестовые методы, при которых на вход системы зажигания или её отдельных элементов подаются специальные тестовые воздействия.
Четкую границу между использованием функциональных и тестовых методов провести трудно. В большинстве случаев на практике сначала осуществляют общий анализ работоспособности системы зажигания функциональным методом, а затем в случае наличия неисправности уточняют её характер тестовым методом.
В работе [3] дается теоретическое обоснование последовательности диагностических операций по выявлению неисправностей в электронных системах зажигания. По мнению авторов систему зажигания целесообразно разделить на две цепи: первичную (низковольтную) и вторичную (высоковольтную). Сначала устанавливается какая цепь неисправна. Для этого на первичную цепь подается напряжение от бортовой сети и контролируется реакция этой цепи. Первичная цепь исправна если при включенной системе зажигания стрелка амперметра колеблется в такт проворачиванию коленчатого вала рукояткой. Тогда отказ следует искать в другой цепи Первичная цепь неисправна, если стрелка амперметра "зашкаливает" или стоит на отметке "ноль".
Проверка датчика осуществляется путем прокручивания коленчатого вала и одновременном измерении напряжения на выходе датчика. Датчик исправен, если напряжение, показываемое вольтметром, отлично от нуля. При исправной первичной цепи, неисправности следует искать во вторичной цепи. Проверка вторичной цепи начинается с катушки зажигания. Центральный высоковольтный провод отсоединяется от крышки распределителя и проверяется искрообразование между наконечником и массой. Если нет искры, неисправна катушка зажигания, в другом случае проверяются другие элементы высоковольтной цепи.
Пробой изоляции в центральном высоковольтном проводе может быть обнаружен по искровым разрядам и характерным щелчкам в местах повреждения изоляции. На крышке и роторе выявляются механические повреждения.
Таким образом. авторами приводится приблизительная последовательность проверок основных элементов системы зажигания (исключая свечи зажигания), однако вся процедура проверки осуществляется вручную при помощи простейших контрольно-измерительных приборов и требует выключения элементов системы зажигания из цепи. Кроме этого при определении последовательности проверок не учитывается вероятность выхода из строя отдельных элементов, что приводит к увеличению продолжительности диагностирования.
МПСЗ с двухвыводной катушкой - как объект исследования
Повышение эффективности работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) связано с разработкой новых систем и устройств зажигания, позволяющих улучшить условия воспламенения горючей смеси в цилиндрах двигателя. Правильность выбора момента воспламенения топливно-воздушной смеси оказывает существенное влияние на основные показатели работы двигателя и расход топлива автомобилем [2].
Как известно, при зажигании рабочей смеси ДВС между моментом подачи импульса и возгоранием смеси происходит некоторое время t, зависящее от условий и режимов работы двигателя. Наиболее существенное влияние на условия сгорания рабочей смеси оказывают: частота вращения коленчатого вала п, нагрузка Р, при которой работает двигатель, температура Т двигателя, состав рабочей смеси и ряд других факторов [2].
Таким образом, время момент воспламенения смеси или соответствующий ему угол опережения зажигания является функцией нескольких переменных. Кроме того, момент зажигания зависит от того какие характеристики наиболее важны: мощность, топливная экономичность, токсичность отработавших газов либо компромиссные.
Стремление наиболее полно учесть все эти условия в системе зажигания и устранить недостатки механической системы управления моментом зажигания привели к разработке и внедрению электронных систем зажигания, которые в настоящее время получили самое широкое распространение. Последним достижением в разработке электронных систем зажигания является создание микропроцессорных систем зажигания (МПСЗ).
В настоящее время, в мировом автомобилестроении, в микропроцессорных системах зажигания как правило применяется низковольтное распределение энергии по цилиндрам двигателя. В нашей стране наибольшее распространение получили МПСЗ с двухвыводными катушками зажигания, рис. 2.1. На рис. 2.1.а представлена структурная схема МПСЗ "Электроника МС 2713" с выносным двухканальным коммутатором, на рис.2.1.6 со встроенным коммутатором " М3313 ".
Объект, цель и задачи экспериментального исследования
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории электрооборудования автомобилей кафедры "Электротехника и электрооборудование " МГАДИ (ТУ). В качестве объекта исследования была выбрана бесконтактная система зажигания с регулированием времени накопления энергии и двумя двухвыводными катушками зажигания. Такой выбор объясняется следующими причинами:
необходимостью исследовать систему зажигания с независящими выходными характеристиками от частоты вращения коленчатого вала, имитирующую работу микропроцессорной системы;
необходимостью исследовать систему зажигания с двухвыводной катушкой зажигания.
Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение адекватности теоретических предпосылок и решений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- экспериментально исследовать рабочие процессы в системе зажигания;
- сравнить результаты экспериментальных исследований с результатами расчетных исследований;
- оценить степень достоверности полученных результатов. При проведении экспериментальных исследований использовались следующие элементы системы зажигания:
1. Датчик импульсов 40.3706 с микропереключателем на эффекте Холла;
2. Транзисторный коммутатор 64.3734 с регулируемым временем накопления энергии;
3. Катушка зажигания двухвыводная типа 30.3705;
4. Для снятия разрядного тока вторичной цепи последовательно каждому искровому разряднику включен резистор типа МЛТ-2 величиной А 101) Ом.
class4 ВЛИЯНИЕ РАЗБРОСА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ВЫХОДНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ С ДВУХВЫВОДНОЙ КАТУШКОЙ class4
Расчетное исследование влияния разброса технических параметров на требуемые и выходные характеристики системы зажигания
Для определения влияния изменения технических параметров системы на её выходной параметр в литературе [4,5,7,84] предлагается использовать функцию чувствительности: где Дф - отклонение выходного параметра системы, вызванное отклонением технического параметра системы на величину Aq.
Однако чувствительность выходного параметра является размерной величиной и позволяет лишь качественно оценить влияние разброса того или иного технического параметра системы на изменение её выходного параметра.
Для сравнительной оценки влияния разброса параметров целесообразно определить коэффициенты влияния погрешностей выходного параметра системы [85]. Коэффициенты влияния представляют собой произведение частной производной выходного параметра, умноженной на дробь, числителем которой является номинальное значение параметра, по которому взята частная производная, а знаменателем - аналитическое выражение выходного параметра, т.е. в общем виде :
Определение коэффициентов влияния в соответствии с (4.2) целесообразно лишь когда функция ф (qi,q2...q,i) выражена аналитически. При отсутствии аналитической зависимости p(qi,q2...q„) или при достаточно сложном её характере для вычисления коэффициентов влияния можно применить упрощенное выражение : где (p(qi) - значение выходного параметра системы, соответствующее значению технического параметра qi q„;
Дф - отклонение выходного параметра, соответствующее отклонению параметра q! на величину Aq.
Определённые таким путем коэффициенты влияния могут на несколько процентов отличатся от истинных. Однако это не имеет существенного значения, так как при определении погрешности выходного параметра коэффициент влияния умножается на погрешность элемента и погрешность в коэффициенте дает ошибку второго порядка малости.
Некоторые вопросы определения допусков на диагностические параметры системы зажигания
Одной из основной задач, возникающих при определении параметров диагностирования электрооборудования автомобиля, а в частности систем зажигания , это выбор параметров диагностирования и определения его полей допуска. В настоящее время допуски на диагностические параметры определяются экспериментально статистическим методом. Этот метод достаточно дорогостоящий и занимает большое количество времени для проведения экспериментальных исследования и статистической обработки результатов исследований.
Все неисправности и отказы, возникающие в процессе эксплуатации автомобилей, сопровождается износами, изменениями зазоров в сопряжениях, шумами, вибрациями, стуками, пульсациями давления изменения функциональных показателей: снижением мощности, тягового усилия, давления, производительности и т.д. Эти сопутствующие неисправностям и отказам признаки являются параметрами технического состояния, которые подразделяют на структурные и диагностические [36].
Структурный параметр - параметр, непосредственно характеризующий работоспособность объекта диагностирования. Сюда относятся зазор в сопряжении, износ поверхностей сопряжения и др.
Диагностический параметр - параметр, косвенно характеризующий работоспособность объекта диагностирования. [36].
Из всего комплекса возможных диагностических параметров в практических целях используются параметры, отвечающие требованиям однозначности, стабильности, широты изменения, доступности и удобства измерения, информативности, технологичности. При этом в первую очередь следует уделять внимание параметрам, характеризующим наиболее часто повторяющиеся отказы и неисправности, которые влекут за собой дорожно - транспортные происшествия или связаны с высокими затратами на их устранение.
Под однозначностью понимается соответствие каждому значению диагностического параметра только одного вполне определенного значения параметра выходного процесса ( состояния диагностического объекта).
Широта поля изменения предусматривает наибольшее отклонение диагностического параметра при заданном изменении структурного параметра. Широта поля изменения может характеризоваться отношением величины изменения диагностического параметра к соответствующей величине структурного параметра.
Доступность и удобство измерения диагностического параметра определяется конструкциями машины и диагностического средства.
Информативность параметра определяется удельным весом определяемых им отказов диагностируемого объекта; удельный вес характеризуется частотой и стоимостью устранения отказов.
Технологичность измерения параметра определяется удобством подключения диагностической аппаратуры, простотой измерения и обработки результатов измерений. В целом технологичность измерения характеризуется трудоемкостью и стоимостью диагностирования.
В настоящее время наиболее распространенным методом диагностирования системы зажигания является диагностирование по изображению сигнала напряжения во вторичной цепи, при этом как правило контролируется сама форма сигнала , пробивное напряжение, напряжение разряда и время разряда. Сравнивая полученные данные с требуемыми определяется состояние системы зажигания.
