Выбор и обоснование признаков, характеризующих состояние отдельных узлов и автомобиля в целом и датчиков для их контроля при автоматизированном диагностировании

Постоянное совершенствование автомобилей является важнейшим фактором в развитии экономики нашей страны. Современный автомобиль состоит из большого количества механических узлов, которые достаточно совершенны. Поэтому в последнее время наметилась тенденция к усложнению и развитию электрического и электронного оборудования автомобилей, стоимость которого в современных грузовых автомобилях зачастую превышает 30% от общей стоимости.

Одной из важнейших проблем современного автотранспортного предприятия является быстрое и качественное выявление неисправностей у автомобилей. При эксплуатации автомобиля могут возникать скрытые неисправности внешне не чем себя не проявляющие, но, будучи незамеченными, они могут привести к серьезным поломкам, а, следовательно, к дорогостоящему ремонту.

Кроме того, профилактическая диагностика позволяет предприятию экономить значительные средства за счет выявления неисправностей и своевременного их устранения, что сокращает время простоя в ремонте, а, следовательно, позволяет снизить трудозатраты и стоимость ремонта. В данном реферате рассматриваются вопросы диагностирования двигателя и выявления возникающих в процессе эксплуатации неисправностей. Решение этих вопросов при эксплуатации автопарка, позволяет экономить значительные средства, затрачиваемые на ремонт и уменьшить убытки от простоя автомобилей. Одними из важнейших контролируемых параметров являются:

- компрессия в цилиндрах двигателя;

- температура охлаждающей жидкости;

- давление масла в системе смазки двигателя;

- температура масла в системе смазки двигателя;

- скорость вращения коленчатого вала двигателя;

Появление полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, миниатюрных микро-ЭВМ позволяет быстро и качественно обнаруживать возникающие неисправности и устранять их как в процессе эксплуатации автомобиля, так и в процессе его подготовки к работе.

По вопросам решения этих задач, применения полученных результатов имеются многочисленыые научные публикации отечественных и зарубежных ученых, выполнено большое число исследований как в Российской Федерации, так и за рубежем. Одним из ведущих научных центров по разработке систем диагностики автомобилей является Московский автодорожный институт. Основополагающие научные результаты по теории и принципам построения систем диагностирования получены в государственном научно-исследовательском институте автомобильного транспорта ( НИИАТ ), во Владимирском государственном университете и других научных учреждениях, занимающихся исследованиями в области диагностики.

Исследования показали, что для диагностирования тех или иных параметров автомобиля необходимы в первую очередь надежные, высокоточные датчики. При этом принятия решений по различным параметрам должны осуществляться сразу по нескольким признакам, характеризующим по их совокупности состояния той или иной системы в целом.

В то же время в известных научных публикациях:

- недостаточно проработаны алгоритмы построения высокоточных и надежных датчиков;

- отсутствует общая теория построения систем принятия решений по параметрам по нескольким признакам;

- не проработаны вопросы выбора признаков, характеризующих отклонения параметров от нормы.

В связи с этим целью диссертационной работы является решение научной проблемы - обоснование и разработка основ построения высокоточных и надежных датчиков, выбор признаков характеризующих отклонения параметров от нормы, разработка схем принятия решений по состоянию той или иной системы по нескольким признакам, что позволяет решать научные и практические задачи повышения качества систем диагностики.

Исходя из цели работы, задачами исследования являются:

1 Выбор и обоснование признаков, характеризующих отклонения тех или иных параметров от нормы.

2 Построение математических моделей высокоточных и надежных датчиков.

3 Построение математических моделей схем принятия решений по нескольким признакам.

4 Синтез структур высокоточных и надежных датчиков.

5 Синтез структур схем принятия решений по нескольким признакам.

6 Исследование работы сиснтезированных датчиков и схем принятия решений по нескольким признакам.

7 Оценка адекватности теоретических моделей и реальных устройств методами моделирования и экспериментального исследования.

Целью настоящего реферата является:

1 Выбор и обоснование признаков, характеризующих наличие нормальной компрессии в цилиндрах двигателя, температуру охлаждающей жидкости, давление масла в системе смазки двигателя, температуру масла в системе смазки двигателя, скорость вращения коленчатого вала.

2 Выбор и обоснование схем датчиков по выбранным признакам которые могут быть использованы в качестве прототипов при синтезе структур высокоточных и надежных датчиков.

3 Разработка схем принятия решений по состоянию тех или иных узлов автомобиля по совокупности признаков и по состоянию автомобиля в целом.

1. Выбор и обоснование признаков,

характеризующих состояние отдельных узлов автомобиля.

1.1. Выбор и обоснование признаков характеризующих

наличие нормальной компрессии в цилиндрах двигателя.

Для осуществления контроля наличия нормальной компрессии в цилинрах ДВС необходимо знать какие характеристики работы ДВС изменятся при снижении компрессии. Прежде всего начнет резко повышатся обьем картерных газов, прорывающихся через зазоры в сопряжениях поршневое кольцо – поршень, поршневое кольцо – цилиндр, клапан – седло клапана. Кроме того в картерных газах будет повышатся обьемное содержание кислорода в связи с тем, что топливно воздушная смесь не будет сгорать полностью.

Из выше сказанного следует, что для контроля компрессии в цилинрах ДВС необходимо проконтролировать как минимум два параметра: количество картерных газов, проходящих через систему вентиляции картера и содержание кислорода в этих газах.

1.2. Выбор и обоснование признаков, характеризующих температуру охлаждающей жидкости двигателя.

Повышение температуры охлаждающей жидкости может обуславливаться ухудшением качества жидкости за счет долгой эксплуатации без ее смены, за счет слоя накипи на внутренних полостях радиатора системы охлаждения, который значительно снижает теплопроводность, за счет неисправностей отдельных узлов системы охлаждения (термостата, помпы и т.п.), а так же за счет пониженного уровня охлаждающей жидкости.

Контроль температуры охлаждающей жидкости является необходимым условием надежной и безопасной эксплуатации автомобиля, так как повышение температуры может привести к значительным остаточным тепловым деформациям, заклиниванию подвижных соединений, что в свою очередь приводит к заклиниванию всего двигателя, а следовательно может повлеч за собой дорогостоящий ремонт. Пониженная температура приводит к увеличению расхода топлива и токсичности выхлопа. Кроме того пониженная температура снижает ресурс ДВС. Поэтому необходимо постоянно контролировать температуру охлаждающей жидкости (ее соответствие нормальному значению) с достаточно высокой точностью.

1.3. Выбор и обоснование признаков, характеризующих

давление масла в системе смазки двигателя.

Давление масла в системе смазки ДВС зависит от многих параметров. Основными являются: характеристики моторного масла(динамическая и статическая вязкость, стойкость к окислению, прокачиваемость и т.п.), состояние маслянного фильтра, исправность маслянного насоса, работоспособность и регулировка перепускного клапана системы смазки и исправность самого двигателя.

Недостаточное давление масла приводит к «масляному голоданию» трущихся деталей, смазывающихся под давлением, что в свою очередь приведет к преждевременному износу этих деталей и выходу двигателя из строя. Поэтому недопустимо снижение давления ниже определенного предела, однако этот величина этого предела зависит от нагрузки на двигатель (развиваемого крутящего момента) и частоты вращения коленчатого вала. Из всего этого следует, что контролировать этот параметр можно путем определения превышения давления масла определенного значения.

1.4. Выбор и обоснование признаков характеризующих повышение температуры масла в системе смазки ДВС.

Повышение температуры масла в ДВС может обуславливаться ухудшением качества масла за счет долгой эксплуатации без его смены, ухудшением его охлаждения в картере или в маслянном радиаторе, а так же за счет попадания в масло механических примесей при работе ДВС.

Немаловажным фактором в повышении температуры масла является так же несоответствие свойств масла требуемым и износ подшипников скольжения и других деталей ДВС, смазывающихся под давлением.

В связи с этим контроль температуры масла в ДВС является необходимым условием надежной и безопасной эксплуатации автомобиля. При чем в данном случае необходимо контролировать лишь превышения температуры какого-то уровня и нет необходимости измерять с большей точностью температуру масла.

Из всего этого следует, что контролировать этот параметр можно путем определения превышения температурой масла определенного значения.

1.5.Выбор и обоснование признаков,

характеризующих частоту вращения коленчатого вала.

Частота вращения коленчатого вала зависит от количества подаваемой в ДВС топливно – воздушной смеси и от нагрузки, приложенной к ДВС. Превышение максимально допустимой частоты вращения может привести к поломке деталей ДВС. Превышение рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу приводит к неоправданному перерасходу топлива, в тоже время пониженная частота холостого хода приведет к увеличению токсичности выхлопа ДВС, повышенному нагарообразованию на деталях цилиндропоршневой группы и т.д.

Из всего вышесказанного видно, насколько важно постоянно контролировать частоту вращения коленчатого вала.

2. Выбор и обоснование датчиков, контролирующих состояние отдельных узлов автомобиля.

2.1. Выбор и обоснование датчиков, контролирующих наличие нормальной компрессии в цилиндрах ДВС.

Как было отмечено выше, при снижении компрессии прежде всего начнет резко повышатся обьем картерных газов, прорывающихся через зазоры в сопряжениях поршневое кольцо – поршень, поршневое кольцо – цилиндр, клапан – седло клапана. Кроме того в картерных газах будет повышатся обьемное содержание кислорода в связи с тем, что топливновоздушная смесь будет сгорать не полностью.

В связи с этим предлагается оценивать величину компрессии по количеству прорывающихся в картер двигателя газов. Для этого, в дипломном проекте используется датчик количества прорывающихся газов, установленный в отводящем патрубке системы вентиляции картера, а так же предлагается ввести в систему вентиляции картера датчик объемного содержания кислорода.

Кроме того, для оценки падения компрессии можно напрямую измерять давление в цилинрах двигателя, однако применение таких устройств в условиях обычной эксплуатации автомобилей нецелесообразно.

В настоящее время известно большое количество датчиков обьема газов, обьемного содержания кислорода, давления в цилиндрах ДВС.

1. Расходомер марки BOSCH 0 280 202

2. Датчик содержания кислорода марки BOSCH 208 202

3. Устройство для измерения давления в цилиндрах поршневого двигателя . Патент№795519 G01L23/00 УДК531.787(088.8)1981

2.2. Выбор и обоснование датчиков, контролирующих

температуру охлаждающей жидкости.

Как было уже отмечено, контролировать этот параметр можно по выходу значения температуры охлаждающей жидкости за определенные допустимые максимальные и минимальные значения. Для осуществления этого контроля можно использовать датчики для измерения температуры, выпускаемые промышленностью, а так же запатентованные датчики и устройства.

1. Устройство для измерения температуры потока жидкой или газообразной среды. Патент №676883 G 01 K 13/02

2. Датчик для измерения температуры в потоках жидкостей и газов. Патент №518648 G 01 K 13/02

3. Устройство для измерения температуры. Патент №536405

G 01 К 13/02

4. Устройство для измерения температуры жидких сред. Патент №317921 G 01 К 13/02

5. Датчик выпускаемый промышленностью ТМ101.

2.3. Выбор и обоснование датчиков, контролирующих

давление масла в системе смазки двигателя.

Как уже было сказано выше для контроля этого параметра достаточно знать, что давление в системе смазки выше определенного минимально допустимого значения. Для этого достаточно поместить в маслянную магистраль датчик, контролирующий давление. При этом электронная часть измерительной схемы должна выдавать аварийный сигнал на основании сигнала, подаваемого датчиком давления с учетом частоты вращения коленчатого вала.

В настоящее время существует ряд датчиков для контроля давления, выпускаемых промышленностью, а так же ряд запатентованных датчиков и устройств.

1. Устройство для измерения полного и статического давлений и температуры протока жидкости (авторское свидетельство №830153).

2. Сигнализатор. Авторское свидетельство №316861 F 01m 1/20

3. Устройство для проверки системы смазки двигателя.

Авторское свидетельство №573604 F01М 1/18

4. Датчик для измерения давления в системе смазки ДВС типа ММ393А.

2.4. Выбор и обоснование датчиков, контролирующих

температуру масла в системе смазки ДВС.

Как было уже отмечено контролировать этот параметр можно путем определения превышения температурой масла определенного значения. Для осуществления контроля можно использовать датчики для измерения температуры использовавшиеся в предыдущих параграфах, например :

1. Устройство для измерения температуры потока жидкой или газообразной среды. Патент №676883 G 01 K 13/02

2. Датчик для измерения температуры в потоках жидкостей и газов. Патент №518648 G 01 K 13/02

3. Устройство для измерения температуры. Патент №536405

G 01 К 13/02

4. Устройство для измерения температуры жидких сред. Патент №317921 G 01 К 13/02

5. Датчик выпускаемый промышленностью ТМ101.

2.5. Выбор и обоснование датчиков, контролирующих

частоту вращения коленчатого вала ДВС.

Частота вращения коленчатого вала ДВС может быть измерена с помощью любого датчика, выдающего один сигнал логической еденицы при каждом обороте коленчатого вала. Таким датчиком может быть датчик, построенный на эффекте Холла, механический контактный датчик, магнитоэлектрический датчик и т. п., причем датчик может быть установлен не только на коленчатом валу, но и на любом другом, механически связанным с коленчатым валом (вал механизма газораспределения, валы привода вспомогательных агрегатов, вал генератора и т.п.). При этом электронная схема измерения частоты вращения должна учитывать соотношение между частотой вращения и частотой подачи сигнала датчиком.

Для контроля частоты вращения коленчатого вала можно применить одно из приведенных ниже устройств:

1. Устройство для измерения скорости вращения вала. Авторское свидетельство №957439 G 01 P 15/08

2. Устройство для определения параметров вращения вала. Авторское свидетельство №1688105 G 01 P 3/36

3. Устройство для измерения скорости вращения вала. Авторское свидетельство №620889 G 01 Р 3/36

4. Индикатор для измерения частоты вращения коленчатого вала «Таховар».

3. Разработка схем принятия решений по состоянию тех или иных узлов автомобиля по совокупности признаков и по сосотоянию автомобиля в целом.

3.1. Устройство принятия решения о наличии

нормальной компрессии в цилиндрах двигателя.

Как было сказано выше при снижении компрессии увеличивается обьем картерных газов и содержание в них кислорода.Таким образом о наличие нормальной компрессии можно судить контролируя одновременно эти параметры. При этом на выходе датчика обьема картерных газов, установленного в системе вентиляции картера, должен присутствовать сигнал указывающий на большое количество газов, на выходе датчика обьемного содержания кислорода сигнал, показывающий высокое содержание кислорода. При использовании в устройстве принятия решения о наличии нормальной компрессиии в цилиндрах двигателя элементов вычислительной техники, значительно упращающих принятие решения, необходимо чтобы сигналы, поступающие с датчиков на схему принятия решения имели дискретное значение, то есть значение логического нуля или значение логической единицы.Поскольку сигналы на выходе датчиков имеют аналоговую форму, они предварительно должны быть представлены в форме логического нуля либо логической единицы. Такое представление может быть выполнено путем использования специальных сигнализирующих устройств. Так, чтобы сигнал с выхода датчика обьема картерных газов в рассматриваемом случае поступал на выходы схемы принятия решения в дискретной форме можно использовать преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН) и компаратор. Схема ПСН позволяет преобразовывать сопротиление, снимаемое с датчика обьема картерных газов в напряжение, причем преобразование может быть не только линейным, что позволяет проводить регулировку системы контроля за компрессией посредством изменения характеристик ПСН. Схема компаратора работает таким образом, что при высоком уровне входного сигнала, то есть при привышении порога срабатывания сигналом на выходе компаратора будет логическая единицы. Причем порог срабатывания в схеме компаратора регулируется и может выбираться в широком диапазоне. Таким образом, регулируя порог срабатывания в схеме компаратора, всегда можно добиться, чтобы при определенном значении обьема картерных газов на выход схемы принятия решения поступал сигнал в виде логической единицы. Чтобы сигнал о высоком содержании кислорода поступал на вход схемы принятия решения также в виде логической единицы необходимо с компаратором последовательно включить еще и схему инвертора. В этом случае на выходе инвертора если на его входе, то есть на выходе компаратора, будет сигнал логического нуля, будет сигнал логической единицы, в противном случае сигнал логического нуля. То есть использование инвертора (устройство принятия решения о наличии нормальной компрессии в цилиндрах двигателя) в данном случае на входе схемы принятия решения при повышенном содержании кислорода в картерных газах может обеспечить наличие сигнала логической единицы. Для согласования такой работы датчиков в этом случае можно использовать логическую схему «ИЛИ». Она работает таким образом, что при наличии хотя бы на одном ее входе сигнала логической единицы на ее выходе будет также сигнал логической единицы.

Причем вышеназванные схемы в настоящее время выпускаются отечественной промышленностью в интегральном исполнении в виде микросхем в широком ассортименте и стоят сравнительно дешево. Так, например, в качестве компаратора в рассматриваемом случае можно использовать микросхему 521СА3, в качестве схемы «ИЛИ» - микросхему 155ЛЛ1, в качестве схемы ПСН - микросхему 512ЛА, в качестве инвертора – микросхему 155ЛН1. Эти микросхемы выгодно отличаются тем, что могут работать при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне, от минус 40 градусов С до плюс 70 градусов С, в условиях повышенной вибрации и потребляют незначительную мощность от источника электрической энергии. Таким образом на основе вышесказанного полная структурная схема принятия решения, включающая устройства согласования, может быть представлена в виде:

Рис.1

3.2. Устройства принятия решений о наличии нормальной

температуры охлаждающей жидкости и нормального давления и температуры масла в системе смазки двигателя.

В общем виде эти устройства представляют собой простые цепи, каждая из которых состоит из датчика и компаратора, принцип действия которого описан выше.

Рис. 2

3.3. Устройство для принятия решения о

нормальной частоте вращения коленчатого вала.

Для измерения частоты коленчатого вала и представления ее в цифровом или аналоговом виде необходимо частотный сигнал, поступающий с датчика преобразовать с помощью ждущего мультивибратора в ток, сила которого будет пропорциональна частоте вращения коленчатого вала. Полученное значение силы тока, измеренное с помощью миллиамперметра будет указывать частоту вращения коленчатого вала. Для того чтобы исключить вращение коленчатого вала с чатотой ниже или выше допустимых значений необходимо применить схему компаратора описанного выше, котрый будет выдавать сигнал логической еденицы в случае выхода частоты вращения за допустимые пределы. Схема контроля в этом случае будет выглядеть так:

Рис. 3

3.4. Устройство принятия решения в целом об исправности автомобиля по контролируемым параметрам.

Как следует из вышесказанного однозначно такое устройство должно выдавать решение о исправности автомобиля и возможности его эксплуатации только в том случае если значения компрессии, температуры охлаждающей жидкости, температуры и давления масла в системе смазки двигателя, частоты вращения коленчатого вала находятся в допустимых пределах.

В случае выхода хотя бы одного из этих параметров за допустимые пределы устройство должно выдавать сигнал о неисправности.

Для этого все выходы систем контроля необходимо подключить к схеме «ИЛИ», которая будет выдавать сигнал логической еденицы в том случае, когда на одном из ее входов появится сигнал логической еденицы т.е. когда один из контролируемых параметров вышел за допустимые пределы.

В этом случае сигнал логической единицы на выходе схемы «ИЛИ» будет говорить о невозможности эксплуатации автомобиля. В качестве схемы «ИЛИ» в этом устройстве можно использовать микросхему типа 155ЛЛ1 достоинства которой уже были указаны.

Выводы.

1 В данном реферате в результате проведенных исследований были выбраны и обоснованы признаки характеризующие состояние отдельных узлов автомобиля, а также состояние автомобиля в целом.

2 В результате проведенных исследований были проанализированы и выбраны датчики обьема, содержания кислорода, температуры, давления.

3 Показано, что для контроля за компрессией в цилиндрах ДВС, температурой охлаждающей жидкости, давлением и температурой масла в системе смазки ДВС, частотой вращения коленчатого вала целесообразно использовать датчики, выбранные из патентов и авторских свидетельств, а также датчики, серийно выпускаемые промышленностью.

4 Были разработаны структурные схемы устройств контроля за компрессией в цилиндрах ДВС, температурой охлаждающей жидкости, давлением и температурой масла в системе смазки ДВС, частотой вращения коленчатого вала и устройство принятия решения об исправности автомобиля в целом по контролируемым параметрам.

5 Использвание электронной вычислительной машины для диагностики состояния автомобиля в целом и его узлов целесообразно при контроле большого количества параметров автомобиля. В том случае необходима разработка специальных программ и устройств сопряжения.

Литература.

1. РЖ ВИНИТИ:

«Сводный том «Радиотехника» . 1988 №3

2. Ютт В.Е. Электрическое и электронное оборудование автомобилей – М.Транспорт 1983

2. Банников С.П. – Электрооборудование автомобилей – М. Транспорт 1988

3. Боровских Ю.И., Мельников А.Ф., Прудников И.П. Автомобильные контрольноизмерительные приборы. – М.Транспорт 1991

4. Агарханян Т.Н., Плеханов С.П. Интегральные триггеры устройств автоматики –М:Машиностроение 1978

5. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем :пер. Англ.-М:Энергия 1976

6. Справочник по интегральным микросхемам/ под. ред. Б.В.Тарабрина –М:Энергия 1980

7. Агарханян Т.М. Интегральные микросхемы: учеб. Пособие для вузов-М:Энергоатомиздат 1983

8. Бюллетень «Открытия, изобретения , промышленные образцы, товарные знаки» №1 1988-№3 1998, №7 1990

9. Реферативная информация «Изобретения в СССР и за рубежом» 1988-1998 (выборочно)

10. Описания изобретений к охранным документам. (выборочно)