Diagnosis of electronic engine control systems for LADA automobile

Full Text

Введение В настоящее время все выпускаемые мировыми производителями автомобили оборудуются электронной системой управления двигателем (ЭСУД). Использование ЭСУД позволяет при сравнительно небольших рабочих объемах двигателей добиться высоких технико-экономических показателей их работы с соблюдением при этом жестких экологических требований по составу вредных веществ в отработавших газах. Это достигается в результате управления процессом приготовления оптимальной по своему составу топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя, дозированной ее подачи в цилиндры и своевременного воспламенения. В процессе эксплуатации в конструктивных элементах ЭСУД, как и в любой другой системе автомобиля, неизбежно возникают различные повреждения и неисправности (нарушение регулировок, изменение электрических характеристик, коррозионное разрушение контактов, повреждение изоляции и т.д.). Это приводит к существенному ухудшению работы двигателя и при несвоевременном устранении возникающих в ЭСУД неисправностей к частичной или полной потере им работоспособности. В связи с этим исследования, направленные на разработку системы обеспечения работоспособности ЭСУД, актуальны и имеют большую практическую значимость. Создание такой системы предусматривает проведение исследований по эксплуатационной надежности конструктивных элементов ЭСУД, влиянию их отказов на параметры работы двигателя, обоснованию комплексных диагностических параметров, оценивающих техническое состояние системы, разработку методик и алгоритмов диагностирования ее конструктивных элементов. Целью исследования является разработка системы обеспечения работоспособности ЭСУД за счет внедрения в технологические процессы обслуживания и ремонта автомобилей диагностирования ее технического состояния. Методы и средства проведения исследований Экспериментальные исследования по оценке эксплуатационной надежности элементов ЭСУД М86, устанавливаемых на автомобили LADA VESTA (двигатель ВАЗ-21179), проводились на базе дилерского центра LADA в г. Владимире в процессе выполнения ТО, ремонта и диагностирования автомобилей. Результаты исследований представлены в табл. 1. Таблица 1 Средние наработки на отказ элементов ЭСУД М86 Конструктивный элемент Средняя наработка на отказ, тыс. км. % от общего количества отказов 1. Электронная дроссельная заслонка 94,9 9 2. Датчик давления воздуха 85,6 8 3. Топливная форсунка 89,3 13 4. Катушка зажигания 67,9 10 5. Датчик кислорода 78,1 11 6. Топливный насос 97,2 9 7. Датчик положения распределительного вала 104,7 8 8. Датчик положения коленчатого вала 123,5 7 9. Датчик детонации 105,3 6 10. Электромагнитный клапан регулирования фаз ГРМ 82,6 5 11. Свеча зажигания 40,7 7 12. ЭБУД 115,8 4 13. Прочие - 3 Большая часть отказов электронных компонентов ЭСУД связана с обрывом проводников в обмотках (электромагнитных клапанов регулирования фаз газораспределительного механизма, катушек зажигания, электромагнитных топливных форсунок и др.) вследствие разрушения их изоляции и межвиткового короткого замыкания. Изоляция обмотки подвергается естественному изнашиванию (старению) под действием трения витков обмотки между собой или о корпус, вибраций, влаги, загрязнения металлической пылью и т.д. Отказы электромагнитных топливных форсунок возникают также вследствие применения некачественного топлива, содержания в нем тяжелых фракций, что приводит к появлению лаковых отложений на конусе распылителя. Работа двигателя с неисправными форсунками сопровождается затрудненным пуском, повышенным расходом топлива, снижением мощности, нестабильной работой ДВС в режиме холостого хода, провалами при разгоне. [5] Основными причинами отказов топливных насосов являются обрыв или межвитковое замыкание обмотки электродвигателя, попадание в топливо различного рода загрязнений, которые приводят к ускоренному износу его насосной части и потере герметичности нагнетательного клапана. Отказы электромагнитного клапана системы изменения фаз газораспределения, предназначенного для регулирования давления подаваемого на фазорегулятор распределительного вала масла, наряду с разрушением изоляции и межвитковым замыканием обмоток, происходят также из-за загрязнения его каналов металлическими частицами, содержащимися в моторном масле. Отказы свечей зажигания в большинстве случаев связаны с использованием топлива, в состав которого входят антидетонационные присадки низкого качества на металлизированной основе. При сгорании топливно-воздушной смеси на изоляторе свечи образуется металлизированный слой, который является проводником, вызывающим "утечки" искрового разряда. Одновременно пробоям способствует повышенный искровой зазор, образующийся в результате несоблюдения регламента замены свечей зажигания, установленного заводом-изготовителем. Потеря работоспособности ЭСУД довольно часто связана с отказами датчиков, повреждения которых приводят к серьезным нарушениям в работе двигателя. Из-за отказа, например, датчика положения коленчатого вала невозможен запуск двигателя, так как электронный блок управления (ЭБУД) блокирует подачу топлива. В большинстве случаев датчик теряет свою работоспособность вследствие обрыва его обмотки или ее межвиткового замыкания. Возникающие в процессе эксплуатации неисправности датчиков давления воздуха, кислорода, положения распределительного вала и детонации приводят к увеличению расхода топлива и выбросов вредных веществ в окружающую среду, нарушению оптимального состава рабочей смеси, нестабильной работе двигателя. [2] Для оценки степени влияния отказов элементов ЭСУД на характеристики работы двигателя были выбраны следующие параметры: мощность, расход топлива, вредные выбросы в окружающую среду оксида углерода СО и углеводорода СН. Исследования проводились в режиме активного эксперимента. На исследуемом двигателе имитировали отказ каждого из элементов ЭСУД путем его отключения и с помощью соответствующей аппаратуры замеряли выбранные для характеристики работы ДВС параметры. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 2. Таблица 2 Влияние отказов элементов ЭСУД на основные параметры работы двигателя Отказавший элемент Изменение параметра Снижение мощности, % Увеличение расхода топлива, % Увеличение выбросов вредных веществ, % СО СН 1. Электронная дроссельная заслонка 85 - - - 2. Датчик давления воздуха 25 15 15 20 3. Топливная форсунка 25 18 12 15 4. Катушка зажигания 25 15 10 8 5. Датчик кислорода 18 20 22 17 6. Топливный насос 100 - - - 7. Датчик положения распределительного вала 10 5 3 3 8. Датчик положения коленчатого вала 100 - - - 9. Датчик детонации 5 4 3 2 10. Электромагнитный клапан регулирования фаз ГРМ 12 5 4 4 11. Свеча зажигания 25 15 10 8 12. ЭБУД 100 - - - Анализ приведенных в таблице результатов исследований показывает, что наиболее значимое влияние на работу двигателя оказывают неисправности топливного насоса, ЭБУД и датчика положения коленчатого вала, при отказе которых двигатель полностью теряет свою работоспособность. При возникновении неисправностей электронной дроссельной заслонки запуск ДВС возможен, однако развиваемая им мощность настолько мала, что автотранспортное средство не может самостоятельно двигаться. Неисправности топливных форсунок или катушек зажигания не приводят к полной потере работоспособности двигателя, но характеристики его работы существенно ухудшаются: до 25 % снижается мощность двигателя, от 8 до 18 % увеличивается расход топлива и выбросы вредных веществ в окружающую среду. Для поддержания ЭСУД в работоспособном состоянии целесообразно выполнять контрольно-диагностические операции по оценке технического состояния ее конструктивных элементов при проведении регламентных обслуживаний автомобилей. Однако в принятом регламенте ТО автомобилей как отечественного, так и импортного производства, выполнение таких операций не предусмотрено. В процессе проведения ТО проводится лишь проверка кодов возникших неисправностей, хранящихся в памяти электронного блока управления ЭСУД, и только при их наличии осуществляются операции поиска и устранения повреждений в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. При отсутствии кодов неисправностей ЭСУД признается технически исправной и дополнительные проверки не проводятся. Но, как показывают выполненные в работе исследования, только по отсутствию кодов некорректно делать вывод о том, что система исправна, так как в ней могут быть скрытые неисправности. Это объясняется тем, что электронный блок управления заносит в свою память код неисправности только при выходе какого-либо диагностического параметра из заданного в программе нормативного интервала. Это приводит к выпуску в эксплуатацию после проведения ТО автомобилей со скрытыми неисправностями ЭСУД, которые проявятся при дальнейшей эксплуатации. Основным условием определения технического состояния ЭСУД в процессе проведения регламентных ТО автомобилей является обоснованный выбор диагностических параметров, которые будут в конечном итоге управляющими элементами обеспечения работоспособности системы. ЭСУД представляет собой довольно сложную техническую систему автомобиля, включающую в себя электронный блок управления, датчики различного назначения, исполнительные элементы (электронная дроссельная заслонка, электромагнитный клапан регулирования фаз ГРМ и др.). Контролировать состояние каждого элемента ЭСУД при проведении регламентных работ технического обслуживания автомобилей нецелесообразно, так как это приведет к большим материальным и трудовым затратам. В данной работе рекомендуется разбить ЭСУД на три подсистемы, каждая из которых может быть оценена одним комплексным диагностическим параметром, отражающим техническое состояние входящих в них конструктивных элементов (табл. 3). Таблица 3 Подсистемы ЭСУД и оценивающие их техническое состояние диагностические параметры Подсистема ЭСУД Конструктивные элементы подсистемы Диагностический параметр Подачи воздуха Электронная дроссельная заслонка Отклонение давления воздуха во впускном коллекторе - Рв Датчик давления воздуха Питания топливом и снижения токсичности отработавших газов (ОГ) Топливная форсунка Коэффициент коррекции длительности впрыска топлива - Кт Топливный насос Датчик кислорода Каталитический нейтрализатор Изменения фаз ГРМ Датчик положения коленчатого вала Отклонение положения фазорегулятора - φф Датчик положения распределительного вала Электромагнитный клапан регулирования фаз ГРМ Важным звеном в системе обеспечения работоспособного состояния ЭСУД является нормирование диагностических параметров. Номинальные и предельные нормативы этих параметров устанавливаются по результатам испытаний ЭСУД на заводах-изготовителях. При проведении контрольно-диагностических работ ЭСУД в качестве нормативов целесообразно использовать не предельные, а допустимые значения параметров, при которых обеспечивается необходимый уровень безотказной работы системы на заданной наработке. Для их определения необходимо установить закономерности и интенсивность изменения диагностических параметров, оценивающих состояние ЭСУД, по наработке. Исчерпание заложенного при проектировании ЭСУД ресурса обусловлено постепенным накоплением различных повреждений в их элементах (изнашивание, коррозия и т.д.). Развитие таких повреждений носит плавный, монотонный характер, приводящий к возникновению постепенных отказов, поэтому с некоторой вероятностью изменение диагностического параметра может быть описано степенной функцией: , (1) где Sн - начальное значение параметра технического состояния; - интенсивность изменения параметра по наработке; t - наработка изделия; α - показатель степени, определяющий зависимость значения параметра S от наработки t. [1] В данной работе такие зависимости получены по результатам статистических исследований изменения диагностических параметров для подсистем ЭСУД М 86, устанавливаемых на двигатель ВАЗ-21179 автомобилей LADA VESTA. Например, по результатам обработки статистических данных изменение диагностического параметра Kт по наработке описывается следующим аналитическим уравнением: , (2) где Kтн - начальное (номинальное) значение диагностического параметра. Показатель степени α определяется опытным путем на основе обработки статистического материала. Для параметра диагностирования подсистемы питания топливом и снижения токсичности ОГ его значение составило: α = 1,05. Интенсивность изменения параметра Kт по наработке определяется из выражения: тыс. км, (3) где Kтп, Kтн - предельное и начальное значение диагностического параметра; tср - средняя наработка подсистемы питания топливом и снижения токсичности ОГ от начала эксплуатации до отказа (tср = 82 тыс. км). Графическая интерпретация зависимости изменения диагностического параметра Кт (подсистемы питания топливом и снижения токсичности ОГ) приведена на рис. 1 Рис. 1. График изменения значения Kт по наработке: Kтн, Kтд, Kтп - начальное, допустимое и предельное значения диагностического параметра; tтп.ср - среднее значение предельной наработки подсистемы; f (t) - плотность наработок до предельного состояния При известной периодичности проведения технического обслуживания (для автомобилей LADA VESTA tто = 15 тыс. км), величине предельного норматива Kтп = 2,8 % и интенсивности изменения параметра значение допустимого норматива Kтд определяется из выражения: . (4) По остальным диагностическим параметрам рассчитанные значения допустимых нормативов приведены в табл. 4. Таблица 4 Нормативные значения диагностических параметров и уравнения, описывающие закономерности их изменения по наработке Диагностический параметр Нормативное значение диагностического параметра Уравнение описывающее закономерность изменения параметра Номинальное Допустимое Предельное Рв, мбар 55 90 115 Кт, % 0,8 1,9 2,8 φф, ° ПКВ 2 6,2 7,7 ; Полученные значения предельных и допустимых нормативов диагностических параметров являются необходимыми элементами в системе обеспечения работоспособного состояния ЭСУД при проведении контрольно-диагностических операций на СТОА. Отклонение параметров за пределы допуска, вызываемое возникновением неисправностей, служит основой для принятия решения о проведении необходимых технических воздействий (операций углубленного диагностирования, регулировок, ремонта и т.д.). Диагностирование подсистем ЭСУД осуществляют в соответствии с разработанными алгоритмами, устанавливающими рациональную последовательность контрольных, регулировочных и других операций по выявлению и устранению возникающих в процессе эксплуатации повреждений. При проведении регламентного обслуживания автомобиля LADA VESTA, например, с пробегом 75 тыс. км (ТО-5), получены следующие значения диагностических параметров подсистем ЭСУД: Рв = 70 мбар; Кт = 2,3 %; φф = 3,4°. В связи с тем, что параметр Кт = 2,3 % вышел за допустимый норматив, необходимо провести углубленное диагностирование подсистемы питания топливом и снижения токсичности ОГ с целью выявления и устранения, возникших в ней повреждений. Диагностирование подсистемы проводится в соответствие с разработанным алгоритмом (рис. 2). Выявленные в результате диагностирования подсистемы питания топливом и снижения токсичности ОГ неисправности элементов необходимо устранить и провести повторный контроль диагностического параметра Kт. В результате проведения углубленного диагностирования подсистемы питания топливом и снижения токсичности ОГ на рассматриваемом автомобиле LADA VESTA выявлена неисправность топливной форсунки второго цилиндра двигателя (потеря герметичности запорного клапана). После замены неисправной форсунки и последующего контроля коэффициента коррекции его значение составило Кт = 1,2 %, что лежит в пределах допуска. Заключение Разработанная система обеспечения работоспособности ЭСУД позволяет существенно снизить количество эксплуатационных отказов ее конструктивных элементов за счет своевременного выявления и устранения возникающих в ней повреждений, которые не были обнаружены системой бортовой диагностики автомобилей. До минимума сокращается выпуск в эксплуатацию автомобилей, скрытые неисправности ЭСУД которых не были устранены в процессе их обслуживания и которые проявляются при дальнейшей эксплуатации. Система апробирована и внедрена в технологические процессы ТО и ремонта автомобилей дилерского центра LADA в г. Владимире.

About the authors

YU. V Bazhenov

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Ph.D.

V. P Kalenov

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: vpkaloynov@mail.ru

References

Supplementary files