Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор электронных систем автоматического управления двигателем 8
1.1. Основные тенденции развития электронных систем управления ДВС в мировом автомобилестроении 8
1.2. Эволюция, сравнительный анализ, преимущества электронных систем управления двигателем 10
1.3. Аппаратные средства диагностирования 17
1.4. Программные средства диагностирования 31
1.5. Цели и задачи исследований 51
2. Теоретические исследования эсау двс как объекта технического диагностированиия 52
2.1. Разработка диагностической модели ЭСАУ 52
2.2. Анализ диагностической модели ЭСАУ 59
2.3. Анализ динамических режимов диагностирования электронного блока управления 70
2.4. Переменная составляющая тока потребления как диагностическая характеристика ЭБУ 75
3. Экспериментальная система исследования протоколов обмена данными 79
3.1. Иерархия документации на диагностирование автомобиля. Эталонное диагностическое оборудование. Электронный блок управления системой
3.2.Исследование диагностических протоколов системы управления двигателем автомобиля 89
З.З.Анализ потока данных между эталонным прибором и ЭБУ автомобиля 91
3.4. Анализатор потока данных Analyser 99
3.5. Эмулятор блока управления Simulator 105
3.6. Эмулятор тестера диагностирования Stimulator 111
4. Разработка алгоритма поиска неисправностей для сервисной информационной ситемы Bosch motronic м1.5.4. 115
4.1. Алгоритм исследования протоколов обмена данными 115
4.2 Алгоритм системного диагностирования на примере системы Motronic М1.5.4. 115
Заключение 130
Основные результаты и выводы 131
Список используемой литературы 132
Приложения 136
- Основные тенденции развития электронных систем управления ДВС в мировом автомобилестроении
- Эволюция, сравнительный анализ, преимущества электронных систем управления двигателем
- Иерархия документации на диагностирование автомобиля. Эталонное диагностическое оборудование. Электронный блок управления системой
- Алгоритм исследования протоколов обмена данными
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений развития, недавно принятой Правительством Российской Федерации концепции развития автомобильной промышленности России, является: экологическая безопасность и меры по снижению отрицательного воздействия на окружающую среду.
Так, на первом этапе реализации концепции необходимо оптимизировать конструкцию и технологию изготовления автомобильной техники, упорядочить нормативные требования по экологии и организовать выпуск автомобилей, удовлетворяющих нормам Комитета по внутреннему транспорту Европейской экономической комиссии ООН (ЕВРО-2, ЕВРО-3)[1].
На втором этапе реализации, концепция (до 2008 года) предлагает обеспечить соответствие выпускаемых автомобилей нормам (ЕВРО-4), а на третьем этапе (до 2010 года), осуществить переход на электронное управление работой двигателя и автомобиля в целом.
Принятию концепции предшествовало бурное развитие электроники и микропроцессорной техники, которое привело к широкому внедрению ее на автомобиле, в частности к созданию электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) двигателем- внутреннего сгорания (ДВС), трансмиссией, ходовой частью и дополнительным оборудованием.
Применение ЭСАУ позволяет снизить расход топлива и токсичность отработавших газов, повысить мощность двигателя, активную безопасность автомобиля, улучшить условия труда водителя.
Посредством ЭСАУ реализуется возможность самодиагностики автомобиля. В процессе работы идёт проверка систем автомобиля, где в случае неисправностей в память контроллера заносятся коды ошибок (Fault codes). Данные параметров, обрабатываемые в ЭСАУ, могут использоваться для выявления неисправностей, а тесты исполнительных механизмов - выявлять неисправные элементы системы.
Разработчики ЭСАУ создали механизмы обмена диагностическими данными между контроллером ЭСАУ и диагностическим прибором - тестером. Обмен диагностическими данными идет по линиям диагностики с использованием протоколов передачи данных.
Протокол передачи данных - это алгоритм взаимодействия двух и более контроллеров ЭСАУ, определяющий последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются контроллер и диагностический тестер. Протокол передачи данных состоит из спецификации алгоритмов и его реализации в виде компьютерной программы.
Также внедрению ЭСАУ на автомобиле способствовало принятие во многих странах нормативов, ограничивающих токсичность отработавших газов и расход топлива, вызванных нефтяным и экологическим кризисом. Соблюдение требований этих нормативов требует поддержания на большинстве режимов работы двигателя стехиометрического состава топливовоздушной смеси, частичного отключения подачи топлива на режиме принудительного холостого хода, точного и оптимального регулирования момента зажигания и впрыска топлива.
Пионером в законодательной защите окружающей среды явилось - Ведомство по поддержанию чистоты воздуха федерального штата Калифорния (США) (CARB = California Air Research Board), которое с 1970 г. активно разрабатывает законодательные инициативы с целью сокращения содержания вредных веществ в воздухе. В 1975 г. в США был разработан 3-х компонентный катализатор, а в 1988 была введена система самодиагностирования On Board Diagnostics (OBD).
Были повсеместно введены стандарты OBDI (в 1994 году) и OBDII (в 1996 году) в США и EOBD(c 1998 года) на территории Европейского Союза. Несмотря на унификацию списка параметров стандарта OBD, автопроизводители имеют некоторую свободу в выборе протокола, с помощью которого данные передаются на диагностический прибор -сканер.
Отечественная автомобильная промышленность с недавнего времени приступила к активному внедрению ЭСАУ. Прототипом многих отечественных разработок явились зарубежные аналоги. Так, например, на базе системы Bosch Motronic, появилась отечественная разработка Январь 5.1. В настоящее время на конвейер волжского автозавода поставляются как отечественные, так и импортные комплектующие ЭСАУ.
Использование ЭСАУ обуславливается необходимостью проведения системной диагностики, не только с целью проведения ремонта, но и с целью контроля выброса вредных веществ и выявления дефектных компонентов системы уполномоченными государственными органами.
Поскольку каждый автопроизводитель не разглашает протоколы передачи и обмена данных между ЭСАУ и диагностическим сканером с целью реализации собственных концепций сервисного обслуживания, возникает объективная потребность в легальной дешифрации таких протоколов для создания универсальных сканирующих устройств. Историческое развитие протоколов обмена данных ЭСАУ ДВС привело к отсутствию единого диагностического стандарта. При этом автопроизводители постоянно усложняют как конструкцию ДВС, так и внедряют все более новые электронные усовершенствования, требующие дополнительного контроля. Задачей исследования является программирование диагностического прибора-сканера на основе полученных данных исследования.
На базе разработанной методики составлена спецификация на реализацию диагностического обмена данными протокола KWP 2000 для системного сканера Bosch KTS550 и информационной системы ESI[tronic] на примере системы Bosch Motronic М1.5.4. В разработке использовался прибор для анализа протоколов передачи данных для автомобильных систем SamDia фирмы Samtec (Германия).
Для реализации функции SIS/CAS - разработан алгоритм инструкции для сервисной информационной системы SIS ESI[tronic] на примере Bosch Motronic М1.5.4.
Основные тенденции развития электронных систем управления ДВС в мировом автомобилестроении
Уже в 1912 году на фирме Бош был дан старт первым испытаниям насосов для непосредственного впрыска топлива.
В 1937 году в серийное производство был запущен первый авиационный двигатель мощностью 1200 л.с. с системой непосредственного впрыска бензина фирмы Бош.
В 1951 году система непосредственного впрыска фирмы Бош была серийно установлена на небольшом автомобиле. Через несколько лет последовал её монтаж на Мерседес 300 SL, серийный спортивный автомобиль фирмы Даймлер -Бенц.
В 1967 году системам непосредственного впрыска топлива удался дальнейший шаг вперед: появилась первая электронная система непосредственного впрыска управляемая давлением во всасывающем трубопроводе -система D - Jetronic
В 1973 году на рынок вышла измеряющая расход воздуха система L - Jetronic, одновременно с системой К -Jetronic, с гидромеханическим управлением, и также с измерением количества воздуха.
В 1979 году была введена новая система: Motronic с цифровой обработкой многих функций двигателя. Эта система объединила L - Jetronic и электронную систему зажигания.
В 1982 году была предложена расширенная версия системы К - Jetronic с электронным регулированием и датчиком кислорода - лямбда-зондом выхлопных газов, получившая обозначение КЕ - Jetronic.
В 1983 году к ним добавилась система Mono-Jetronic: особо благоприятная по соотношению цена/качество, система центрального впрыска, сделавшая возможным оснащение системой Mono-Jetronic также и недорогих автомобилей малого класса.
В 1991 году во всем мире имелось свыше 37 миллионов автомобилей с системами непосредственного впрыска топлива фирмы Бош.
В 1992 году было поставлено 5,6 миллионов систем управления двигателями, из них 2,5 миллиона Mono-Jetronic и Mono-Motronic систем, 2 миллиона систем Motronic.
В настоящее время системы впрыска постоянно совершенствуются. К последним разработкам системы впрыска Motronic, относятся: Motronic М4; М5; ME; MED7; MED9 с функциями OBD.
Различные производители автомобилей ограничивают монопольную зависимость от одного поставщика комплектующих и придерживаются концепции нескольких поставщиков. Этим обусловлено наличие на рынке широкого спектра различных систем впрыска.
Так на автомобилях концерна VAG помимо систем Bosch, устанавливаются системы: Digifant; MPI Hitachi; Bendix-Fenix; MMFD Multipoint; Magneti-Marelli MM; Digijet. Фирма Mitsubishi устанавливает системы: GDI; ЕСІ; ЕРІ. Фирма Honda - PGM-FI. Renault -- Renix. Toyota - TCCS/EFI. Opel - GM Multec SPI. На конвейер АВТОВАЗа поставляются системы: GM ISFI-2S; GM EFI-4; Bosch 1.5.4 и отечественный аналог - Январь-5.1. ; Bosch МР7.0 (ЕВРО-3). На АВТОГАЗ соответственно системы: МИКАС 2.3.; МИКАС 7.1.; АВТРОН 2.33 и МКД 2.31.
Применяемые электронные системы автоматического управления двигателем включают системы управления топливоподачей, зажиганием (в бензиновых двигателях), клапанами цилиндров, рециркуляцией отработавших газов. Наибольшее распространение получили первые две системы, которые используются для управления двигателем как самостоятельно, так и совместно. Электронные системы управления зажиганием, устанавливаемые на бензиновых двигателях, позволяют осуществлять гибкое управление углом опережения зажигания и энергией искрообразования, а также могут дополнительно управлять электропневмоклапаном холостого хода (ЭПХХ).
Системы управления клапанами применяются для отключения группы цилиндров с целью экономии топлива и для регулирования фаз газораспределения. Системы управления рециркуляцией отработавших газов обеспечивают возврат во впускной трубопровод потребного количества отработавших газов для смешивания их со свежей горючей смесью.
Кроме того, электронные системы управления облегчают пуск холодного двигателя, уменьшают необходимое время его прогрева перед началом движения. Электронные антиблокировочные (АБС) системы позволяют уменьшить практически в 2 раза тормозной путь автомобиля на скользкой дороге, исключая возможность возникновении заноса, и управлять автомобилем в сложных условиях.
Эволюция, сравнительный анализ, преимущества электронных систем управления двигателем
Электронные системы управления топливоподачей бензиновых двигателей разделяются на системы впрыска (непосредственно в камеру сгорания или во впускной тракт) и карбюраторные системы с электронным управлением. Они могут быть с программным управлением и с автоматической адаптацией. Системы с непосредственным впрыском практически не применяются из-за сложности их конструкции. Наибольшее распространение получили системы впрыска во впускной тракт. Они разделяются на системы с впрыском в зону впускных клапанов и с центральным впрыском.
Система с впрыском в зону впускных клапанов включает в себя форсунки по числу цилиндров, система с центральным впрыском — одну или две форсунки на весь двигатель.
Форсунки в системах с центральным впрыском устанавливаются в специальной смесительной камере, откуда полученная смесь распределяется по цилиндрам. Принцип действия системы автоматического управления карбюратором заключается в изменении проходного сечения главного топливного жиклёра в зависимости от режима работы двигателя.
В системах управления впрыском топлива используется принцип оптимального управления. Этот принцип заключается в том, что в процессе регулирования оценивается влияние управляющего воздействия на эксплуатационные характеристики двигателя и на основании этой оценки формируется управляющий сигнал, обеспечивающий оптимальное значение регулируемого параметра. В качестве оптимизируемых параметров обычно используется расход топлива, токсичность отработавших газов и тяговые характеристики двигателя. Однако добиться одновременной оптимизации этих трех параметров невозможно. Получение максимальной мощности двигателя достигается путем обогащения горючей смеси, а топливная экономичность — путем ее обеднения. Наилучшая очистка отработавших газов от токсичных элементов обеспечивается при составе смеси, близком к стехиометрическому. Поэтому применяемые на практике электронные карбюраторные системы являются программно-адаптивными, входным параметром обратной связи которых служит химический состав отработавших газов.
Назначение карбюратора или системы впрыска -подготовить наилучшую топливовоздушную смесь на любых режимах работы двигателя. В последние годы для смесеобразования применяются в основном системы впрыска, обеспечивающие выполнение требований по экономичности, мощности, безупречные ездовые характеристики и наименьшую токсичность отработавших газов. Впрыск позволяет точнее соизмерять подачу топлива в зависимости от режима и нагрузки двигателя и более гибко реагирует на внешние условия. Смесеобразование при этом регулируется так, чтобы токсичность отработавших газов была незначительной. Одноточечный впрыск
Одноточечный (центральный) впрыск - это электронноуправляемая система впрыска, в которой электромагнитная форсунка периодически впрыскивает топливо по оси впускного трубопровода перед дроссельной заслонкой. Системы одноточечного впрыска носят название Mono-Jetronic и Mono-Motronic.
Многоточечный впрыск топлива
Многоточечный (распределенный) впрыск создает условия для оптимальной, по сравнению с одноточечным впрыском, работы системы смесеобразования. В системе многоточечного впрыска каждый цилиндр имеет свою форсунку, которая подаёт топливо непосредственно перед впускным клапаном. Это, например, системы КЕ и L-Jetronic с соответствующими вариантами [2].
Механическая система впрыска
Из механических систем впрыска широкое применение нашла система K-Jetronic. Принцип ее работы: непрерывный впрыск топлива; непосредственное измерение расхода воздуха. Система K-Jetronic является механической системой, которая не требует применения топливного насоса с приводом от двигателя, как у карбюраторных систем. Она осуществляет непрерывное дозирование топлива, нагнетаемого электрическим топливным насосом, пропорционально количеству воздуха, всасываемого при такте впуска.
Иерархия документации на диагностирование автомобиля. Эталонное диагностическое оборудование. Электронный блок управления системой
Целью исследования автомобильных диагностических протоколов является создание метода легальной дешифрации протокола обмена данными между блоком управления любого автомобиля и предписанным для него автопроизводителем диагностическим прибором. После чего, для дешифрованного протокола обмена данными создается базовая программа, которая инсталлируется в универсальный прибор-сканер.
Приведём пример адаптации стандарта под требования конкретного автопроизводителя на примере протокола KWP 2000. Стандарт оговаривает, что производитель автомобиля может реализовать свою версию протокола, выбрав необходимую кодировку и физический смысл передаваемых параметров, где это возможно. Существует иерархия наследования изменений вносимых в стандарт KWP 2000, представленная на рисунке 3.1. Иерархия наследования определяет вложенность реализации проекта применительно к протоколу обмена данными с ЭБУ автомобиля.
ISO 14229 - стандарт описывающий требования к наличию диагностических функций (сервисов),
ISO 14230 (международный стандарт) - описывает в трёх документах требования для физического, канального и прикладного уровней протокола.
ISO 14230 (стандарт страны / групповой стандарт / стандарт производителя) - полностью базируется на международном стандарте, являясь результатом договоренностей между группой автопроизводителей или является внутренним стандартом для автопроизводителя.
ISO 14230 (проектная спецификация) - например реализация протокола для системы управления двигателем автомобиля. Этот документ описывает особенности системы и реализаций различных уровней протокола диагностики, например, потоки данных, коды неисправностей и управление исполнительными элементами[31].
Проведем отражение диагностического протокола на модель взаимодействия открытых систем OSI, тогда сервисы, используемые в диалоге между тестером и блоком управления, разбиваются на уровни. - Уровень 7 - Диагностические сервисы - Уровни с 6 по 1 - Коммуникационные сервисы
На примере KWP2000 продемонстрируем данное разбиение на уровни взаимодействия. На рисунке 3.2 представлены различные уровни взаимодействия от физического уровня до прикладного уровня соответственно.
Для адаптации диагностического прибора к работе с новым протоколом необходимо создать спецификацию этого протокола в стандартах организации создающей прибор. Чаще всего исследование протокола происходит в условиях полной или частичной неопределённости, так как всегда существует некоторое разногласие между стандартами и договорённостями по автомобильной диагностике внутри различных стран и между автомобильными производителями.
Подобные ситуации были нередкими, когда не было общих стандартов на автомобильную диагностику. Это времена до создания OBD I, OBD II и Е - OBD. В настоящее время, автопроизводители конструируют собственные системы диагностирования в рамках предписанных стандартов, однако стандартами разрешено вводить собственные функции и параметры, не выводя их через стандартные линии связи. Допускается также использовать поля протоколов по усмотрению автопроизводителя (manufacturer specific).
Алгоритм исследования протоколов обмена данными
Последовательность действий по проведению исследования протоколов диагностического обмена представлена в разработанной блок-схеме (Приложение Лист 11) . Алгоритм построен по методу системного исключения возникающих ошибок и отклонений. Таким образом, учитывается внесение необходимых изменений в спецификацию и в разработку драйвера для исследования нового протокола. Проверка правильности реализованных в приборе функций осуществляется на реальном автомобиле и только после этого программный продукт подлежит интеграции в программное обеспечение диагностирования.
На основе разработанной выше спецификации для системы Motonic 1.5.4. была создана программа диагностики, которая вошла в соответствующее обновление базы диагностируемых блоков управления ESI[tronic]. В этом разделе рассматривается алгоритм системного диагностирования с использованием разработанной программы для блока управления автомобиля ВАЗ (Лада-111, Motonic 1.5.4.).
После проведения мероприятий по подключению диагностического прибора-сканера к соответствующей розетке диагностируемого автомобиля и последующей инициализации автомобиля, компактная тестирующая система KTS5xx направляет пользователя к подробному описанию проведения диагностики[32]. Основные параметры и данные программы, а также важнейшая информация для сервисной станции, показаны в диалоговом окне руководства по эксплуатации ESI[tronic] на рисунке 4.1.
На рисунке 4.2 показано диалоговое окно руководства с необходимой информацией по порядку проведения диагностических действий. Помимо этого, программа предлагает потребителю широкие возможности по идентификации автомобиля.
Рекомендации по подключению диагностического разъема представлены в разделе «информация». Там же можно найти информацию по комплектации и оснащению необходимыми специальными диагностическими кабелями. Для выбранного автомобиля находится схема подключения к соответствующему диагностическому разъему, а также местоположение диагностической розетки в автомобиле. Пример диалогового окна с информацией по подключению показан на рисунке 4.3.Если поиск не привел к результату, программа предлагает описание возможных причин отсутствия коммутации. На рисунке 4.5 показано диалоговое окно программы, которое предлагает соответствующий алгоритм действий диагноста.
После этого шага проводится идентификация блока управления с целью проверки штатного оснащения автомобиля и проверки связи с блоком. В нашем случае прибор определил артикульный номер блока управления системой: 0 261 204 722, представленный на рисунке 4.6.
Итак, связь с блоком установлена. Семь дальнейших предлагаемых функций программы предлагают, помимо идентификации: опрос памяти неисправностей; вывод фактических параметров; проведение теста исполнительных механизмов; функциональные тесты и анализ ОГ. Выбор функций диагностирования показан на рисунке 4.7.
После этого запускается опрос памяти неисправностей с целью определения возможных ошибок, зафиксированных в памяти регистратора. При обнаружении ошибки, прибор сообщает ее код и название неисправного элемента системы.
На рисунке указан код спорадической ошибки (Р01020 Измеритель массы воздуха), поскольку тестер работает в режиме симуляции. Такая же ошибка будет выявлена при тестировании незаведенного автомобиля. Пример спорадической ошибки представлен на рисунке 4.8.
При выборе диагностики по фактическим параметрам, программа предложит полный список возможных диагностируемых параметров. Одновременно прибор позволяет проверять не более четырех таких параметров. Пример диалогового окна показан на рисунке 4.9.
Таким образом, проводится пошаговая диагностика исследуемой автомобильной системы, например, как показано на рисунке 4.10, измеряется напряжение аккумуляторной батареи.
Можно также отобразить несколько параметров по выбору, причем имеется возможность сравнивания полученного результата с предписанными автопроизводителями значениями. Пример такого сравнения по параметру - частота вращения в режиме холостого хода -показан на рисунке 4.11.
