Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 15
1.1. Состояние и основные положения технического диагностирования автомобилей
1.2. Современные тенденции совершенствования топливоподающих систем автомобилей с дизельными двигателями
1.3. Анализ исследований в области теории и эксплуатации АТПС 37
1.4. Методы диагностики топливоподающих систем автомобильных дизельных двигателей
1.5. Выводы и задачи исследования 71
2. Теоретические основы методологии диагностики автомобилей с дизелями, оснащенными аккумуляторными топливоподающими системами
2.1. Анализ системы «Аккумуляторная топливоподающая система Двигатель внутреннего сгорания-Автомобиль-Среда»
2.2. Математическая модель подсистемы «Среда» 82
2.3. Математическая модель подсистемы «Автомобиль» 85
2.4. Математическая модель подсистемы «Двигатель внутреннего сгорания»
2.5. Математическая модель аккумуляторной топливоподающей системы
2.6. Теоретическое обоснование методов диагностики АТПС в составе системы «А-Д-А-С»
2.7. Выводы по второй главе 182
3. Методика экспериментальных исследований 184
3.1. Общая методика и программа экспериментальных исследований 185
3.2. Методика исследования взаимосвязи технического состояния АТПС на выходные показатели процесса функционирования ав- 187 томобиля с дизелем в системе «А-Д-А-С»
3.3. Методика экспериментальных исследований связи диагностиче ских параметров с параметрами технического состояния
3.3.1. Методика экспериментальных исследований связи диагностиче ских параметров с давлением в цилиндре дизельного двигателя
3.3.2. Методика экспериментальных исследований изменения давления в ТАВД с техническим состоянием АТПС
3.3.3. Методика экспериментальных исследований связи диагностических параметров углового ускорения коленчатого вала с техни- 200
ческим состоянием ЭГФ
3.4. Методика проверки адекватности математических моделей 205
3.5. Методика определения диагностических нормативов
3.5.1. Методика определения номинальных нормативов 212
3.5.2. Методика определения допустимых значений диагностических параметров технического состояния АТПС
3.6. Методика определения периодичности диагностирования АТПС 216
3.7. Оборудование для проведения экспериментальных исследова-217 ний
3.7.1 Описание оборудования для проведения экспериментальных ис-217 следований и его характеристика
3.7.2. Методика тарировки измерительной системы 231
3.7.3. Оценка погрешности измерения 238
3.8. Выводы по третьей главе 242 4.
Результаты исследований и их реализация 245
4.1. Анализ существующих стратегий эксплуатации АТПС и изменения технического состояния ее элементов в производственных 246 условиях
4.2. Результаты исследований взаимосвязи технического состояния АТПС с топливно-энергетическими показателями и тягово-скоростными свойствами автомобиля
4.3. Результаты исследований рабочего процесса АТПС при измене нии её технического состояния
4.4. Результаты исследований функциональных связей между диагностическими параметрами и параметрами технического состо- 286 яния АТПС
4.5. Реализация результатов исследования 344
4.6. Выводы по четвертой главе 369
5. Технико-экономическая оценка результатов исследования
Выводы по главе 385
Заключение 386
Список сокращений и условных обозначений 390
Список использованной литературы
- Анализ исследований в области теории и эксплуатации АТПС
- Математическая модель подсистемы «Автомобиль»
- Методика экспериментальных исследований связи диагностиче ских параметров с параметрами технического состояния
- Результаты исследований взаимосвязи технического состояния АТПС с топливно-энергетическими показателями и тягово-скоростными свойствами автомобиля
Введение к работе
Актуальность исследования. Эффективность функционирования подвижного состава автомобильного транспорта в значительной мере влияет на себестоимость и своевременность перевозок людей и грузов. Она во многом зависит от типа и характеристик двигателей внутреннего сгорания (ДВС), большая часть из которых являются дизельными. Дизелями оснащено более 90% грузовых автомобилей, более 60% больших автобусов. Непрерывно растет и доля легковых автомобилей с дизельными двигателями. Для повышения эксплуатационных качеств и выполнения самых строгих экологических требований «Евро-6» дизели оснащаются электронными топливоподаю-щими системами.
Наиболее эффективной и широко применяемой на современных дизельных двигателях является система с топливным аккумулятором высокого давления (ТАВД). Аккумуляторная топливоподающая система (АТПС) применяется на автомобильных дизелях относительно недавно, но уже получила в них постоянную прописку. Тяжелые условия эксплуатации, низкое качество топлива, несвоевременность диагностических и профилактических воздействий зачастую приводят к тому, что топливная аппаратура с ТАВД преждевременно выходит из строя. Поиск неисправностей АТПС и их причин, а также устранение последствий отказов сопровождаются длительными простоями автомобилей, что вызывает большие убытки перевозчиков.
Некоторые отказы АТПС вызывают аварийный отказ всего дизеля с необходимостью его ремонта или даже замены, что связано с большими финансовыми, материальными, трудовыми и временными затратами. Стоимость элементов АТПС в три-четыре раза превышает стоимость механических систем топливоподачи дизелей и достигает 15-20% от стоимости двигателя.
Мониторинг изменения технического состояния АТПС и её элементов призвана выполнять система встроенной диагностики, которая обладает рядом недостатков, и зачастую фиксирует только предельное или аварийное её состояние. Это не позволяет своевременно идентифицировать неисправности и причины их возникновения, значительно снижает эффективность эксплуатации автомобилей с АТПС.
Проблемную ситуацию порождают и существующие методы диагностики. Их рабочие процессы, как правило, базируются на таких физических методах, практическое применение которых сопровождается высокой трудоемкостью поиска неисправности АТПС и их причин. Существующие методы диагностики не позволяют с достаточной точностью определять границы перехода технического состояния АТПС от допустимого к предельному, при котором эксплуатация автомобиля становится неэффективной, ведет к отказу топливной системы, дизельного двигателя и, как следствие, всего автомобиля.
Эффективность технической эксплуатации современных автомобилей во многом определяется совершенством системы организации и технологий их диагностирования. Поэтому еще одной проблемой, значительно снижающей эффективность использования автомобилей с АТПС, является отсутствие каких-либо обоснованных ремонтно-профилактических воздействий, направленных на поддержание работоспособности системы питания с ТАВД до наступления её отказа.
Общей методологической проблемой эксплуатации автомобилей с АТПС является факт того, что существующие методы и средства диагностирования топливной системы функционально разрознены. Одни из них малоинформативны, другие - недостаточно универсальны, третьи - трудно реализуемы, особенно в отрыве от производственных баз. Это приводит к необоснованной полнокомплектной замене АТПС, что
связано с большими финансовыми затратами, и со значительным (40% и более) недоиспользованием ресурса её дорогостоящих элементов.
Попытки повышения эффективности эксплуатации автомобилей с АТПС на основе использования существующих методов диагностирования, наталкивается на противоречие, связанное с недостатком знаний о процессах функционирования АТПС при изменении параметров её технического состояния, о процессах формирования диагностических параметров, характеризующих изменение технического состояния автомобильных ДВС и их топливоподающих систем с ТАВД, об их нормативных значениях, а также об их связях с показателями эффективности эксплуатации автомобилей. Это является научной проблемой, сдерживающей развитие сферы эксплуатации автомобильного транспорта страны.
Таким образом, научное исследование, направленное на разработку методологических основ диагностики автомобилей с АТПС, включающих изыскание, научное обоснование, разработку и обоснованное применение высокоэффективных методов диагностики современных дизелей и их аккумуляторных топливоподающих систем, позволяющих значительно повышать эффективность эксплуатации автомобилей с АТПС, за счет снижения временных, производственных и финансовых затрат в условиях эксплуатации является актуальным.
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Большой вклад в развитие технической диагностики, как резерва повышения эффективности эксплуатации автомобильной и специальной техники внесли В.А. Аллилуев, И.М. Блянкинштейн, А.П. Болдин, Ю.А. Васильев, Г.В. Веденяпин, И.И. Габитов, Н.Я Говорущенко, А.С. Гребенников, Гриценко А.В., Денисов А.С., И.П. Добролюбов, Н.С. Ждановский, В.А. Змановский, С.А. Иофинов, В.И. Карагодин, А.Ю. Коньков, Г.В. Крамаренко, М.И. Левин, В.М. Лившиц, Л.В. Мирошников, В.М. Михлин, А.В. Мозгалевский, А.В. Неговора, А.В. Николаенко, А.А. Обозов, С.П. Озорнин, А.А. От-ставнов, Ю.В. Родионов, А.Г. Сергеев, И.П. Терских, А.И. Федотов, А.М. Харазов и многие другие.
Вопросы проектирования, расчета, эксплуатации и методы исследования процессов топливоподачи современных аккумуляторных систем рассматривались в трудах ученых НАМИ, НИИАТа, МГТУ им. Баумана, МАДГТУ (МАДИ), МАМИ, БашГАУ, ЮжноУральского ГУ, Владимирского ГУ, ХНАДУ, концерна ЯЗДА, АЗПИ, Bosch, Denso, Delphi, Siemens, Caterpillar и многих других. Нашли отражение в работах: Р.М. Баширова, А.Н. Врублевского, И.И. Габитова, Л.Н. Голубкова, Л.В. Грехова, Ф.И. Пинского, А.В. Неговоры, Г.Г. Тер-Мкртичьяна, М.В. Мазинга, Ю.Д. Погуляева и многих других.
Вопросам диагностики АТПС посвящены труды: А.Н. Врублевского, А.Г. Габба-сова, И.И. Габитова, Л.В. Грехова, С.А. Гребенникова, Е.Ю Зенкина, В.А. Ильина, А.А. Козеева, Ю.А. Конькова, А.В. Неговоры, Ш.Ф. Нигматуллина, В.А. Маркова, Ю.А. Пойда, N. Cavina, R. Randall, P. Beirer, L. Guzzella, F. Payri, J. Wang, A. Takamura, S. Fukushima, Yong-Kwam Kim, Y. Hayakawa и многих других.
Вопросам диагностики топливоподающих систем двигателей на основе бестормозных динамических методов диагностики посвятили свои труды: И.Е. Агуреев, А.В. Александров, Я.А. Борщенко, Ю.А. Васильев, Д.М. Воронин, В.В. Грачев, А.С. Гребенников, И.П. Добролюбов, Н.С. Ждановский, В.М. Лившиц, С.Н. Ольшевский, О.Ф. Савченко, А.А. Отставнов, А.В. Никитин, Н.В. Щетинин, А.В. Николаенко, А.В. Гриценко, И.П. Терских, А.И. Федотов, J. Moskwa, R. Randall, Q. Leclre, P. Charles, N. Cavina, F. Nilsson, A. Charchalis, J. Mohammadpour, M. El Badaoui и многие другие.
Рабочей гипотезой, исходной при решении сформулированной проблемы, являлось предположение о том, что значительное повышение эффективности эксплуатации автомобилей, а также процессов их ТО и Р возможно посредством изыскания, научного обоснования, разработки и применения высокоэффективных методов диагностики АТПС и дизелей в условиях эксплуатации на основе выявления, анализа и учета закономерностей в системе «АТПС-ДВС-Автомобиль-Среда».
Цель работы: повышение эффективности эксплуатации автомобилей, за счет снижения временных, производственных и финансовых затрат на основе изыскания, научного обоснования, разработки и применения высокоэффективных методов диагностики АТПС и дизелей в условиях эксплуатации.
Для достижения указанной цели в настоящей работе поставлены и решены следующие задачи исследования:
-
Разработать научные основы методологии диагностики автомобилей с дизельными двигателями, оснащенными АТПС в условиях эксплуатации;
-
Разработать математическую модель системы «АТПС-ДВС-Автомобиль-Среда» позволяющую аналитически выявлять её диагностические параметры, устанавливать их нормативные значения, выявлять закономерности взаимосвязи диагностических параметров с параметрами технического состояния и эксплуатационными показателями автомобиля;
-
Выполнить исследования процессов функционирования системы «АТПС-ДВС-Автомобиль-Среда», выявить диагностические параметры, характеризующие изменение технического состояния АТПС, как в составе автомобиля, ДВС, так и отдельно, выявить их функциональные связи с параметрами технического состояния автомобилей;
-
Научно обосновать нормативные значения диагностических параметров автомобилей с АТПС в условиях эксплуатации;
-
На основе выявленных закономерностей процесса функционирования автомобилей с дизельными двигателями разработать методы диагностики АТПС в составе автомобиля и ДВС;
-
Научно обосновать место и роль методов диагностики автомобилей с дизельными двигателями, оснащенными АТПС, в структуре технологических процессов ТО и Р автотранспортных и сервисных предприятий;
-
Выполнить производственную проверку результатов исследований и дать им технико-экономическую оценку.
Объект исследования: Процесс функционирования автомобиля с дизельным двигателем, оснащенным аккумуляторной топливоподающей системой при изменении параметров её технического состояния в условиях эксплуатации.
Предметом исследования являются закономерности изменения диагностических параметров АТПС и дизеля, отражающие их техническое состояние, а также закономерности изменения показателей эффективности эксплуатации автомобилей с АТПС при внедрении новых и совершенствовании существующих методов диагностики.
Область исследования соответствует паспорту научной специальности 05.22.10 «Эксплуатация автомобильного транспорта», а именно: формуле специальности – исследование и совершенствование технологии процессов технического обслуживания, обеспечивающих работоспособность автомобильного транспорта; области исследований – п. 13 «Технологические процессы и организация технического обслуживания, ремонта и сервиса; методы диагностики технического состояния автомобилей, агрегатов и материалов».
Методы и средства исследования. Общей методологической основой исследований являлся системный подход, обеспечивающий анализ процессов формирования показателей контролируемых свойств автомобилей с АТПС с учетом взаимосвязей параметров системы «АТПС-ДВС-Автомобиль-Среда».
В процессе аналитических исследований использованы фундаментальные положения термодинамики, динамики жидкости и газа, динамики твердого тела, теории автомобиля, численные методы математического анализа и решения дифференциальных уравнений, методы имитационного и математического моделирования.
В ходе экспериментальных исследований процессов функционирования и диагностирования системы «АТПС-ДВС-Автомобиль-Среда» применялись стендовые и дорожные методы испытаний.
В процессе обработки результатов исследований использовались методы теории вероятностей, математической статистики, дисперсионного, регрессионного и системного анализа.
В процессе решения задач управления техническим состоянием автомобилей с АТПС использованы основные положения теории технической эксплуатации автомобиля.
Научная новизна работы отражена в выносимых на защиту положениях:
1. Научно обоснованная методология диагностики позволяет реализовывать профи
лактическую стратегию высокоэффективной эксплуатации и рациональное примене
ние методов диагностики автомобилей с дизельным двигателем и АТПС в технологи
ческих процессах их ТО и ремонта в условиях эксплуатации;
2. Разработанная математическая модель системы «АТПС-ДВС-Автомобиль-
Среда» позволяет аналитически исследовать влияние изменений технического состоя
ния элементов АТПС на эксплуатационные показатели автомобилей и двигателей, вы
являть диагностические параметры и функциональные закономерности их взаимосвя
зей с параметрами технического состояния АТПС, устанавливать нормативные значе
ния диагностических параметров;
3. Установленные функциональные зависимости выявленных диагностических пара
метров от параметров технического состояния элементов АТПС, показывают:
часовой расход топлива через обратную магистраль АТПС связан с неплотностью клапанов ЭГФ зависимостью, близкой к экспоненциальной;
максимальное давление топлива в ТАВД, а также динамика его изменения линейно зависит от коэффициента снижения объемной подачи ТНВД и экспоненциально - от площади неплотностей ЛВД;
мгновенные и средние значения угловых ускорений коленчатого вала в интервале, соответствующему такту «рабочий ход» без осуществления рабочего процесса в цилиндрах, линейно зависят от герметичности надпоршневого пространства, а при осуществлении рабочего процесса они связаны с цикловой подачей полиномиальной функцией второго порядка;
цикловая подача ЭГФ связана с износом их клапанов полиномиальной зависимостью третьей степени, а с ходом якоря электромагнита линейной зависимостью;
4. Метод контроля топливной экономичности автомобилей с АТПС отличающийся
тем, что учитывает выявленные зависимости изменения расхода топлива, в процессе
движения автомобиля с АТПС, от параметров ее технического состояния, позволяет
оценивать расход топлива через подающую и обратную магистрали, а также устанав
ливать допустимые значения нормативных параметров технического состояния АТПС
и рациональную периодичность его контроля;
-
Высокоэффективный метод диагностики общего технического состояния АТПС, отличающийся тем, что он основан на анализе динамических процессов нарастания и снижения давления в ТАВД на пусковом режиме, позволяет сокращать в 1,5…2,6 раза трудоемкость поиска неисправностей ТНВД и ЛВД, а также причин их возникновения;
-
Высокоэффективный динамический метод диагностики цилиндров двигателя, отличающийся тем, что основан на анализе электрической мощности, затрачиваемой на прокручивание коленчатого вала двигателя стартером, а также его углового ускорения, в режимах холостого хода и выбега при отключении цилиндра, позволяет значительно (в 8,7…9,9 раз) снижать трудоемкость определения технического состояния цилиндров ДВС;
7. Высокоэффективный динамический метод диагностики ДВС с АТПС отличаю
щийся тем, что основан на измерении угловых ускорений коленчатого вала, вызванных
работой каждого цилиндра, позволяет определять техническое состояние ЭГФ и со
кращать трудоемкость их диагностирования в 2,7…7,6 раз.
Практическая значимость результатов работы:
службам диагностики автотранспортных предприятий и автосервиса разработанные динамические методы позволяют повышать информативность диагностирования автомобилей с дизельными двигателями и АТПС, сокращать трудоемкость поиска неисправностей АТПС в среднем в 2,7 раза, службам, осуществляющим ТО и ремонт автомобилей - снижать эксплуатационные затраты на устранение неисправностей и простои в ремонте на 23 %, а также на 17 - 34% снижать расходы на эксплуатацию за счет наиболее полного использования ресурса элементов АТПС, выполнять контроль качества выполненных ремонтно-профилактических воздействий, увеличивать производственную программу выполняемых диагностических работ, ТО и ТР, не изменяя штат сотрудников;
операторам-диагностам АТП или автосервиса динамические методы позволяют диагностировать АТПС, автомобили и двигатели как непосредственно на постах диагностики, так и при проведении дорожных испытаний;
проектировщикам диагностического оборудования, разработанные динамические методы позволяют совершенствовать существующие и разрабатывать новые высокоэффективные автоматизированные системы диагностики АТПС, в том числе бортовые;
работникам сервисных и автотранспортных предприятий научно обоснованная структура технологических процессов системы ТО и Р автомобилей с дизельными двигателями, включающая высокоэффективные динамические методы диагностирования автомобилей, дизелей и АТПС дает возможность оптимизировать выбор диагностического оборудования для заданных условий эксплуатации;
- результаты работы могут быть использованы преподавателями автомобиль
ных специальностей технических вузов в учебном процессе при подготовке инжене
ров, бакалавров и магистров в области технической диагностики АТС.
Личный вклад автора. Все основные идеи, положенные в основу методологии диагностики автомобилей с дизельными двигателями, оснащенными АТПС, новые методы их диагностирования, математические модели процесса функционирования автомобиля с дизелем в системе «АТПС-ДВС-Автомобиль-Среда» разработаны и реализованы автором или под его руководством.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается:
1) значительным объемом комплексных исследований, выполненных в условиях
автотранспортных предприятий Восточной Сибири, а также в условиях сервисных специализированных предприятий, выполняющих ТО и ремонт автомобилей и топливной аппаратуры дизелей;
2) метрологическими показателями средств измерения;
-
корректным использованием современного математического аппарата, сопоставимостью теоретических и экспериментальных результатов;
-
отсутствием противоречий с результатами ранее проведенных исследований другими учеными в области технической диагностики, динамики жидкостей и газов, теории автомобиля, системного анализа и других направлений наук, а также с публикациями в рецензируемых изданиях.
Реализация результатов работы. Результаты, обеспечивающие повышение эффективности эксплуатации АТС, внедрены в ОАО «ГАРО», г. Великий Новгород, ООО «Фритрейн», г. Екатеринбург, ООО «ВИАН-дизель» г. Иркутск и приняты к использованию в БошАвтоСервис СТО «Браво» г. Иркутска, МУП «ИркутскАвтоТранс» г. Иркутска, в группе компаний АО «Труд» (Иркутская область), ОАО «ГАТП-3», г. Улан-Удэ.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Автомобильный транспорт» ФГБОУ ВО ИрНИТУ.
Апробация работы. В период с 2005 по 2017 гг. результаты исследований были рассмотрены и одобрены на: ежегодных научно-практических конференциях Института Авиамашиностроения и транспорта ИрНИТУ 2007-2017 гг., научно-практических семинарах «Чтения И.П. Терских» 2008, 2009, 2010, 2012, 2014, 2017 гг. (ИрГСХА, Иркутск); ежегодных научно-практических конференциях ВСГУТУ (Улан-Удэ 2008-2012 г.); I и II Международной научно-практической конференции «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта», Иркутск, ИрГТУ 2007, 2009 гг.; На 83-й конференции ААИ «Особенности эксплуатации автотранспортных средств в дорожно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. Проблемы сертификации, диагностики, контроля технического состояния» 2013 (г. Иркутск); Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы АПК «АГРО-ИНФО»» 2006, 2009, 2015 гг. (г. Новосибирск); на 77-й Международной научно-практической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров (2012 г., МАМИ г. Москва); на 90-й Международной научно-практической конференции ААИ «Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера. Конструкция, эксплуатация, экономика» 2015 г. (г. Иркутск); на Международной научно-практической конференции «Транспортные системы Сибири. Развитие транспортной системы как катализатор роста экономики государства» 2016 г. (Красноярск, СФУ); на Международной научно-практической конференции «Политранспортные системы» 2016 г. (СибГУПС, г. Новосибирск); на I Всероссийской научно-практической конференции «Наземные транспортно-технологические средства: проектирование, производство, эксплуатация» 2016 г. (ЗабГУ, г. Чита); на Международном автомобильном научном форуме «Интеллектуальные транспортные системы повышения энергоэффективности и безопасности движения» (НАМИ, г. Москва, 2016 г.); на 99-й Международной научно-практической конференции ААИ «Безопасность колесных транспортных средств в условиях эксплуатации» 2017 (ИРНИТУ, г. Иркутск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 научных работ, общим объемом 23 п.л, в т. ч. 17 публикаций в изданиях из перечня ВАК РФ, рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и 1 в базе Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографического списка из 358 наименований, семи приложений, изложена на 441 странице машинописного текста, включает 181 рисунок и 22 таблицы.
Автор выражает глубокую признательность за ценные советы и замечания научному консультанту, заведующему кафедрой «Автомобильный транспорт» ИРНИТУ, доктору технических наук, профессору А.И. Федотову.
Анализ исследований в области теории и эксплуатации АТПС
Методы диагностики разделяют на две группы: объективные и субъективные. Первые базируются на применении системы контрольно-измерительных средств, вторые – на использовании опыта и интуиции специалиста диагноста, который по ряду обнаруженных признаков осуществляет поиск неисправностей диагностируемого объекта. Рядом исследователей методы диагностирования классифицируются в зависимости от использования групп контролируемых параметров [12,15,122,184,254]:
1. По функциональным параметрам или параметрам эксплуатационных свойств. В эту группу входят: оценка мощностных и экономических свойств, тормозного пути, управляемости, устойчивости и т.п.
2. По параметрам сопутствующих процессов. В эту группу входят температура и состав отработавших газов, характеристики рабочего цикла двигателя, шум и вибрация, физико-химические параметры жидкостей и газов.
3. По структурным параметрам. Сюда входят определение суммарных зазоров, геометрической формы, оценка усилий и перемещений и т.п.
По характеру взаимодействия между объектом и средством диагностирования различают тестовые и функциональные режимы. Тестовый ре 18 жим осуществляется путем подачи конкретных воздействий на объект и получения ответных реакций объекта на них. Функциональным называется режим, когда объект используется по назначению, то есть выполняет свои рабочие функции, а его выходные параметры (один или несколько) являются контролируемыми, например, мощность двигателя [17,98,102,121,159,191 и др.]. Функциональные режимы позволяют проводить, как правило, общее диагностирование.
Тестовые режимы диагностирования являются «активными», поскольку рабочие процессы в объекте могут быть целенаправленно изменены управляющими воздействиями до получения максимальных показателей информативности диагностирования. Тестовые методы диагностирования отличаются простотой и информативностью. Например, управление заслонкой рециркуляции отработавших газов с наблюдением обратной связи, позволяет однозначно идентифицировать техническое состояние данной подсистемы ЭСУД.
По технологическому назначению и глубине методы и средства диагностирования делятся на комплексные и поэлементные [15,254].
В условиях эксплуатации автомобиль может быть продиагностирован стендовыми [7,18,53,171,254 и др.] и бесстендовыми [4,30,35,74,75,162 и др.] методами. В первом случае представляется возможным организовать практически любой скоростной и нагрузочный режим двигателя, но стенды для определения тяговых качеств дороги, имеют множество типоразмеров и, кроме того, не до конца изучен механизм взаимодействия колес с беговыми барабанами [254,257]. В связи с этим, большой интерес представляют бесстендовые методы диагностики автомобилей [28,34,78,104].
Поскольку АТС состоит из конечного числа элементов, многие из которых являются одноименными и выполняющими одинаковые функции, важной является оценка сравнения диагностических параметров между собой в относительном виде. Эта информация является очень ценной, т.к. без трудоемких сложных вычислений и операций позволяет выявить, например, худший элемент на фоне остальных.
Идея применения относительных методов для диагностирования не нова. Одним из первых в конце 60-х годов двадцатого века ее выдвинул И.П. Терских [250]. Дальнейшее развитие концепции диагностики одноименных элементов относительными методами принадлежит А.С. Гребенникову и его ученикам [77-84]. Он убедительно доказал, что большую информативность имеют не только абсолютные значения диагностических параметров, но и относительные, в первую очередь, их равномерность распределения у одноименных элементов. Измерение относительных величин диагностических параметров нашло широкое применение на практике, например: тест относительной компрессии в ДВС по току стартера, напряжению, неравномерности вращения коленчатого вала; пульсаций давления во впускном, выпускном коллекторе и картере; измерение пульсации трубок высокого давления с помощью накладных пьезоэлектрических датчиков и т.д. [8,15,123,131,134,168,209,302]. При постановке диагноза на основе относительных параметров в обязательном порядке учитывается их совокупность на определенных режимах диагностирования и в зависимости от заданного тестового воздействия [254].
Многообразие методов и средств диагностирования отражено в классификации, приведенной на рис. 1.2. [78]. Привлекательность бесстендовых (бестормозных) режимов заключа ется в возможности создания нагрузочных тестов, например, с помощью электронного блока управления двигателем, как ключевого звена системы управления. Задание определенного возмущения приводит к соответству ющей реакции системы. Это может служить диагностическим признаком технического состояния, который удовлетворяет требованиям стабильно сти, однозначности, информативности и чувствительности [34,81,98,233,254,280,293,305].
Математическая модель подсистемы «Автомобиль»
Исследования в области диагностики ТПС проводятся ведущими мировыми и отечественными фирмами – изготовителями топливоподающих систем и ВУЗами. Среди них особо следует выделить фирмы: Denso, Delphi, R.Bosch, Cummins, Caterpillar, Wartsila, МГТУ им. Баумана, МАДГТУ (МА-ДИ), ИрНИТУ, БашГАУ, СГТУ им. Ю.А. Гагарина, Южно-Уральский ГУ, ХНАДУ (г. Харьков, Украина), University of Bologna, University of Michigan, Institute for Dynamic Systems and Control (ETH Zurich), Linkpings universitet, Tampere University of Technology, Purdue University, Massachusetts Institute of Technology и многие другие.
ТПС и составляющие ее элементы могут быть продиагностированы в стендовых условиях (т.е. со снятием топливной аппаратуры с автомобиля), а также непосредственно на автомобиле.
Первая группа методов (стендовые испытания) выполняются, как правило, с помощью специального оборудования по алгоритмам, условиям и параметрам, определяемым фирмой-изготовителем ТПС. Однако существуют и альтернативные методики, зачастую не только не уступающие в информативности и оперативности, но порой даже и превосходящие их [128,183].
Элементы, входящие в контур низкого давления (фильтры, заборники, топливоподкачивающие насосы) проверяются идентично прочим элементам гидравлических систем и систем питания [15,51,302]. Как правило, в качестве параметров технического состояния выступают: перепад давлений на входе и выходе из фильтра, давление (в том числе максимальное), развиваемое топли-воподкачивающим насосом (ТПН) и подача при рабочем давлении. Зачастую ТПН конструктивно расположен в корпусе ТНВД и проверяется вместе с ним.
Элементы высокого давления могут быть проверены раздельно или совместно. Первый вариант является более распространенным и предпочтитель-нымно, тем не менее, стенд будет содержать функционально аналогичные элементы. Рассмотрим стендовые методы диагностики применительно к системам питания Common Rail. Топливные насосы высокого давления АТПС проверяются по следующим параметрам [51]: - времени, за которое ТНВД накачает в ТАВД топливо до определенного давления при заданной частоте вращения вала насоса и полностью закрытом регуляторе давления в пусковом режиме; - производительности с полностью открытым регулятором давления; - производительности при дискретном варьировании давления в аккумуляторе и фиксированнных частотах вращения вала насоса; - времени достижения заданного давления при фиксированной частоте вращения и частично открытом регуляторе давления и др.
Дозирующие устройства (регуляторы потока) проверяются по производительности ТНВД в установившемся режиме при подаче определенного тока и скважности.
Топливные аккумуляторы также могут быть проверены в стендовых условиях и в этом случае необходимо устройство (ТНВД) для создания высокого давления. ТАВД герметизируется, после чего в него подается топливо до заданного давления и проверяется герметичность аварийного клапана, либо регулятора давления, а также правильность показаний датчика давления.
При испытаниях электрогидравлических форсунок на специализированных стендах может проверяться широкий спектр параметров. В необходимый минимум показателей входят цикловая подача на режимах и расход топлива на управление, задаваемых в рамках тест-плана: режим статической утечки, режим полной и частичной нагрузки, режим холостого хода, режим впрыскивания малых доз топлива (предвпрысков) [32,50,128].
Указанный перечень тестов задается изменением давления на входе в ЭГФ и длительностью управляющего импульса. Количество режимов по усмотрению фирмы-изготовителя может быть больше. В качестве дополнительных параметров могут быть измерены: давление топлива на входе в форсунку; температура топлива, уходящего на слив; сопротивление и индуктивность магнита; емкость пьезопакета; время отклика ЭГФ (разность между началом управляющего импульса и началом подачи; расход топлива и его форма).
На основе анализа предложений рынка специализированного оборудования для систем впрыска дизельных двигателей, сделана классификация стендов для проверки ЭГФ АТПС, представленная на рис. 1.15 [146].
Хотя стендовая проверка элементов АТПС дает исчерпывающую информацию об их техническом состоянии, представляется перспективным развитие методов её диагностики без снятия с автомобиля.
Наиболее распространенные и информативные бесстендовые методы диагностики ТПС можно представить в виде нескольких функционально обобщенных групп. Первую группу представляют методы функционального диагностирования по основным показателям работы двигателя, например, по его мощности или мощности отдельных цилиндров, вторую группу представляют методы, связанные с анализом рабочего процесса двигателя, третью – виброакустические методы, и четвертую – гидравлические методы, в частности по амплитудно-фазовым параметрам изменения давления в топливной магистрали высокого давления.
Рассмотрим первую группу методов. На автомобиле тестовое воздействие можно задать в виде переходного динамического режима, с отключением части цилиндров (циклов) и их комбинации [30, 33, 35, 75, 89, 102, 110, 191, 214, 251], в том числе, в сочетании с нагрузочными устройствами. Бесстендовые методы диагностирования получили широкое распространение благодаря отсутствию внешних догрузочных устройств и простоте реализации. С появлением и развитием электронных систем управления ДВС бесстендовые тестовые режимы могут быть заданы на программном уровне блоков управления в виде алгоритмов, реализующих процесс тестового диагностирования [295,298,299,301,320,331].
Одним из первых бесстендовых тестовых режимов явился метод, основанный на отключении цилиндров [54,172,177]. В самом простом его варианте проверяемый цилиндр при отключении изменяет равномерность работы двигателя и частоту вращения коленчатого вала (в случае отсутствия системы стабилизации холостого хода). Данным методом можно проверить лишь относительную работоспособность цилиндра. При этом достоверность контроля снижается с увеличением количества цилиндров [110].
Методика экспериментальных исследований связи диагностиче ских параметров с параметрами технического состояния
Важнейшие эксплуатационные показатели автомобиля в значительной степени зависят от технического состояния входящих в него систем и их совместного функционирования, а также выбора стратегии поддержания и восстановления работоспособности. Поэтому исследование проблемы разработки высокоэффективных методов диагностирования АТПС должно рассматриваться в системе «Аккумуляторная топливоподающая система - Дизельный двигатель внутреннего сгорания-Автомобиль-Среда». Условимся называть ее для краткости «А-Д-А-С».
Системный подход позволит, во-первых, наиболее полно отразить закономерности влияния технического состояния АТПС в составе ЭСУД на выходные эксплуатационные показатели автомобиля с дизелем; во-вторых - исследовать связи параметров технического состояния АТПС в составе ЭСУД с диагностическими параметрами; в-третьих – обосновать и разработать оперативные и информативные методы диагностирования АТПС в составе ЭСУД; в четвертых – обоснованно назначать диагностические нормативы и режимы диагностирования.
Рассмотрим структуру (рис. 2.1), параметры системы и ее подсистем. Выявив взаимосвязи системных показателей и подсистем, необходимо описать процесс функционирования всей системы.
Система «А-Д-А-С» (рис. 2.1) состоит из составляющих ее название четырех подсистем: «Аккумуляторная топливоподающая система (АТПС)», «Дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС)», «Автомобиль (А)», «Среда (С)». Каждая из указанных подсистем содержит совокупность свя 75 занных с ними элементов.
На эффективность эксплуатации автомобиля с АТПС влияет техническое состояние АТПС (обозначены на схеме совокупностью Ut Є и(П1; П2 ... Пп)) и стратегия, управляющая этим состоянием на основе проведения ремонто-профилактических воздействий. Факторы управления техническим состоянием АТПС содержат три составляющие, характеризующие стратегию эксплуа тации: Д – диагностика; ПР – поддержание работоспособности (ТО); ВР – восстановления работоспособности (Ремонт). Каждый из факторов воздействует на систему «А-Д-А-С» через подсистему АТПС и формирует выход, позволяющий определить целевую функцию всей системы и подсистем.
Структурная схема исследуемого процесса функционирования автомобиля с дизелем, оснащенным аккумуляторной системой топливопода-чи в составе «А-Д-А-С» Показатели эффективности системы «А-Д-А-С» формируют множество 3t Є и(Э1( Э2 ... Эп), к которому можно отнести: затраты на эксплуатацию автомобиля при принятой системе обслуживания и ремонта; топливную экономичность автомобиля, выражаемую расходом топлива на единицу пройденного автомобилем пути; пусковые качества дизельного ДВС и др.
Общей целевой функцией является минимизация суммарных затрат или удельных затрат на эксплуатацию, к которым относятся затраты труда, затраты энергии и денежных средств.
Для автомобилей с дизельными двигателями, оснащенными современными аккумуляторными топливоподающими системами могут применяться три стратегии поддержания и восстановления работоспособности [140]: 1. Стратегия, сводящаяся к устранению отказов и неисправностей по мере их возникновения, т.е. по потребности. В чистом виде стратегия восстановле ния работоспособности без проведения диагностических операций невозмож на по причине очень высокой стоимости компонентов и наличию встроенной системы самодиагностики, т.е. эта стратегия содержит, как исполнительскую, так и контрольную часть операций. Удельные затраты при этом определяются отношением затрат на ремонт к средней наработке на отказ [140]: 37 = % = Cv/(!maxl- f(l)dl (2.1) 1 l Pl Jlmin V J где: Cp - затраты на ремонт (восстановление работоспособности); Ї, l-min, l-max – средняя, минимальная и максимальная наработка на отказ соответственно. 2. Стратегия, предусматривающая предупреждение отказов и неис правностей, а также восстановление исходного или близкого к нему состоя ния, до того, как будет достигнуто предельное состояние по наработке.
Результаты исследований взаимосвязи технического состояния АТПС с топливно-энергетическими показателями и тягово-скоростными свойствами автомобиля
Основной функцией двигателя является преобразование тепловой энергии топлива в механическую. Эффективность этого преобразования наиболее полно отражается удельным эффективным расходом топлива, определяющим экономичность, и эффективным КПД, характеризующим совершенство рабочего процесса. Оба этих показателя тесно связаны между собой. Удельный эффективный расход топлива определяется отношением [224]: 10з опл (247) где: Т0Пл – часовой расход топлива двигателем, кг/ч; Ne - эффективная мощность, кВт. Эффективный КПД можно найти по следующему выражению [92]: Т7е = 3600 (2.48) где: Ни - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
Согласно ряду проведенных исследований [17,102,114,252] эффективная мощность – один из параметров, характеризующих техническое состояние двигателя и его цилиндров. Кроме того, эффективная мощность не должна быть значительно больше или меньше, чем паспортная (номинальная), т.к. от нее зависит и производительность автомобиля. Техническое состояние цилиндра в свою очередь зависит от его герметичности, потерь на трение, а также правильности и своевременности топливоподачи в него. Иными словами, техническое состояние цилиндра зависит от технического состояния механической системы двигателя (КШМ, ГРМ, турбокомпрессор) и от технического состояния топливоподающей системы. В то же время двигатель автомобиля состоит из нескольких цилиндров, техническое состояние которых может отличаться по сравнению друг с другом. При этом, трудоемкость определения технического состояния двигателя и его основных систем должно быть минимальной. Указанные выше обстоятельства позволяют сформулировать целевые функции подсистемы ДВС – минимизация удельного эффективного расхода топлива и максимизация количества информации о техническом состоянии при диагностировании: #e - mm e "e e (2.49) jV/ = JVeH0M ± Щ Гпр - min U = Hx-Ht max где: Мефакт и iVeH0M - фактическая и номинальная (паспортная) эффективная мощность двигателя; ANe - допуск на изменение мощности; Тпр- время простоя АТС с АТПС при поиске, обнаружении причин и устранении последствий отказа, ч; Нх - исходная энтропия объекта (является вероятностью наличием в нем неисправности, обнаруживаемой при помощи принятого диагностического параметра); НІ - вероятность неисправности после его диагностирования.
Для составления математической модели дизельного двигателя представим двигатель в виде отдельных блоков, функционально связанных между собой. Первый из них - собственно сам двигатель (ДВС), содержащий кри-вошипно-шатунный механизм (КШМ), газораспределительный механизм (ГРМ), системы смазки и охлаждения. В упрощенном виде со стороны ЭСУД входным воздействием является требуемый закон топливоподачи в зависимости от скоростного, теплового и нагрузочного режимов, которые определяются условиями функционирования всего автомобиля в целом.
Другими блоками подсистемы являются впускной трубопровод, выпускной трубопровод и турбокомпрессор, состоящий из центростремительной турбины и центробежного компрессора. Необходимость отдельного рассмотрения перечисленных блоков обусловлена наличием газодинамических процессов, непосредственно влияющих на процесс функционирования ЭСУД в составе автомобиля, в том числе в режиме обратной связи. Кроме того, параметры воздухоподачи тесно связаны с рабочим процессом дизельного двигателя.
Функциональная схема подсистемы «Дизельный двигатель внутреннего сгорания» приведена на рис. 2.8.
Математическая модель подсистемы базируется на базовых физических законах, поэтому система содержит: уравнение закона сохранения энергии (первое начало термодинамики), закон сохранения массы, уравнение состояния, уравнение теплообмена, уравнения движения механических звеньев (динамики вращательного движения твердого тела).
Закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) запишем в следующем виде [4,240]: dp fc-i ш h _ . h _ jLp Г) (2.50) dt V dt D D " " fc-1 dt Аналогично запишем закон сохранения массы [4,134]: V и и її її її г — GB - Gr + GTonn + Gn (2.51) dt где: hв, hп, hг - удельные энтальпии воздушного заряда, прошедшего через 103 впуск, поршневые кольца в картер и отработавших газов, проходящих через выпуск соответственно, Дж/кг; Gв – массовый расход воздуха, проходящий через впускные органы газораспределения, кг/с; Gг – массовый расход воздуха, проходящий через выпускные органы газораспределения, кг/с; Gтопл – массовый расход топлива, кг/с; п – массовый расход через неплотности цилиндро-поршневой группы, кг/с.