Создание мобильного диагностического комплекса на основе статистических исследований экологических и технических показателей автомобилей в процессе их эксплуатации

ТРАНСПОРТ

УДК 629.3.081.3

B. В. Невзоров, В. М. Овчинников, канд. техн. наук, проф.,

C. И. Сухопаров, канд. техн. наук, доц.

СОЗДАНИЕ МОБИЛЬНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

На основе статистического анализа случайного потока автотранспортных средств установлено распределение потока по возрастной категории и характерным отказам двигателей внутреннего сгорания диагностируемых автомобилей. Приведено обоснование создания мобильного диагностического комплекса, включающего в себя информационно-диагностическую и экспертную системы для оценки текущего состояния двигателя. Определена методика комплексной оценки и управления экологическими и техническими параметрами двигателя внутреннего сгорания.

Введение

Автомобиль - техническое устройство, работа многих узлов и агрегатов которого влияет на качество окружающей среды. Но главный из них двигатель. Поэтому управление экологичностью двигателя, снижение количества выбрасываемых вредных веществ в отработавших газах рассматриваются наукой и практикой как одно из основных направлений защиты этой среды [1].

В настоящее время в европейских странах в этом направлении сделано многое: законодательно установлены нормы, ограничивающие количество вредных выбросов в отработавших газах, найдены технические решения, способствующие выполнению таких норм [2, 3]. Но все это, к сожалению, относится лишь к новым двигателям. Между тем опыт свидетельствует, что по мере увеличения пробега их экологические качества ухудшаются [4, 5].

В то же время в Республике Беларусь действуют морально устаревшие стандарты по методике испытаний и требования к экологическим показателям эксплуатируемых автомобилей: ГОСТ 17.2.2.03-87 для автомобилей с бензиновыми двигателями

и ГОСТ 21393-75 - для автомобилей с дизельными двигателями. Согласно

данным государственного технического осмотра, каждый четвертый автомобиль не проходит техосмотр с первого раза, из них по экологическим параметрам -каждый шестой. Более того, системой государственного технического осмотра по ряду объективных причин не решены вопросы устранения выявленных неисправностей. Следует также признать, что несовершенство методик по проведению измерений содержания токсичных веществ в отработавших газах ставит конечный результат в огромную зависимость от человека. А причины, по которым нормативы могут быть превышены, наоборот, чаще всего от человека не зависят [6, 7].

Современные условия эксплуатации автомобилей требуют не только пересмотра ГОСТов, но и разработки системного комплекса технических воздействий по диагностике двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и корректирующих мероприятий по управлению экологическими и техническими параметрами. При этом возникают сложности в определении методов испытаний и

подбора оборудования для проведения эффективной диагностики сложных технических систем в эксплуатационных условиях [8, 9].

Одним из важнейших факторов снижения токсичности выбросов автомобильного парка являются наличие и доступность объектов обслуживания и устранения неисправностей с надёжным диагностическим оборудованием и квалифицированным техническим персоналом.

Целью работы является научное обоснование создания системы комплексной диагностики ДВС автотранспортных средств, основанной на анализе статистических данных, с учетом динамики изменения параметров рабочих процессов, конкретного двигателя за длительный период его эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- оптимизировать на основе статистического анализа случайного распределенного потока автотранспортных средств состав необходимого диагностического оборудования для эффективной оценки параметров рабочих процессов и технического состояния ДВС;

- создать мобильный диагностический комплекс (МДК), включающий в себя информационно-диагностическую систему для оценки текущего состояния ДВС.

Методика проведения работы. Мониторинг технического и экологического состояния автомобилей проведен на базе поста диагностики транспортных двигателей научно-исследовательского центра «Экологическая безопасность и энергосбережение на транспорте» УО «Белорусский государственный университет транспорта» в течение 2006 г. Пост диагностики был организован в 2000 г. для проведения экологической сертификации автомобилей на основе проведения измерений по определению токсичности отработавших газов автомобилей [10]. Пропускная способность поста обеспечивает качественное обслуживание до пятидесяти автомобилей в смену, что позволило получить и обработать ин-

формацию об 11030 автомобилях, из них 7084 - принадлежит частным владельцам и 3946 - промышленным предприятиям Гомельской области.

Из репрезентативной выборки генеральной совокупности данных были построены ряды распределения, цель которых - выявление основных свойств и закономерностей исследуемой статистической совокупности [11].

Обсуждение результатов. Анализ данных мониторинга суммарного потока АТС, прошедших диагностику и регулировку двигателя на посту, осуществлялся по признакам, которые должны наиболее точно охарактеризовать его структуру. В зависимости от признака, взятого за основу группировки, качественного или количественного, получили:

- вариационные ряды распределения (рис. 1, 2), построенные по количественному признаку и состоящие из варианты - среднего возраста АТС и частоты - объема вариационного ряда АТС;

- атрибутивные ряды распределения ДВС (рис. 3, 4), построенные по качественному признаку - распределение ДВС по превышению нормативных выбросов в атмосферу.

Одним из наиболее важных факторов является распределение потока АТС по возрастной категории, которое косвенно позволяет судить о степени износа парка автомобилей и представлено на диаграмме (рис. 1), выполненной с учетом признаков происхождения. Однако следует учитывать, что данные были получены по выборке, в которую в основном входят автомобили, требующие корректировки токсичности отработавших газов. Поэтому они не дают представления о качественном состоянии парка АТС в целом, а лишь определяют количественно зоны риска.

Установлено, что около 2/3 всего потока составляют автомобили российского и импортного производства старше 10 лет. Это свидетельствует о старении легкового парка, хотя положитель-

ной тенденцией можно считать увеличение количества АТС до 24 % в возрасте от 3 до 10 лет.

Для определения качественного со-

става потока АТС был проведен анализ распределения по типам ДВС (способам образования рабочей смеси (рис. 2, а) и топливных систем (рис. 2, б)).

а)

б)

Старше 10 лет - 73 % Старше 10 лет - 72 %

Новые (до года) - 7 % Новые (до года) < 1 %

Рис. 1. Распределение потока АТС по возрастной категории и по признакам происхождения:

а - автомобили советского и российского производства; б - импортные автомобили

а)

б)

1 - автомобили с карбюраторными двигателями

(46 %);

2 - автомобили с бензиновыми двигателями,

оснащенными ЭБУ (электронными блоками управления) (32 %);

3 - автомобили с дизельными двигателями

1 - автомобили советского и российского производства с

карбюраторными двигателями (29,1 %);

2 - импортные автомобили с карбюраторными двигателями

(16,9 %);

3 - импортные автомобили с бензиновыми двигателями, ос-

нащенными ЭБУ (19,7 %);

4 - автомобили советского и российского производства с бен-

зиновыми двигателями, оснащенными ЭБУ (12,3 %);

5 - импортные и отечественные автомобили с дизельными

двигателями (15,6 %);

6 - импортные и отечественные автомобили с дизельными

двигателями, оснащенными ЭБУ

Рис. 2. Распределение потока АТС: а - по способам образования рабочей смеси; б - по типам топливных систем и признакам происхождения

а)

б)

5 4

1 - автомобили советского и российского производства

с карбюраторными двигателями (47 %);

2 - им портные автомобили с карбюраторными двигате-

ля ми (39 %);

3 - импортные автомобили с двигателями, оснащенны-

ми ЭБУ (3 %);

4 - ав томобили советского и российского производства

с двигателями, оснащенными ЭБУ

1 - нарушения регулировок или отказы в работе топлив-

ных систем (36 %);

2 - изменения параметров датчиков и нарушения рабо-

ты ЭБУ двигателя (12,7 %);

3 - нарушения регулировок систем зажигания и газо-

распределения (42,5 %);

4 - причины, связанные с нарушением герметичности

всасывающего коллектора (8,5 %);

5 - причины, связанные с техническим состоянием ЦПГ

ДВС

3

2

Рис. 3. Структура случаев превышения нормативных показателей токсичности отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями: а - распределение потока отказов по типам топливных систем и признакам происхождения; б - распределение причин, вызвавших отказ

а)

б)

1 - а втомобили, оснащенные атмосферными двига-

телями с механическим управлением ТНВД (41,4 %);

2 - а втомобили, оснащенные компрессорными дви-

гателями с механическим управлением ТНВД

(37,2 %);

3 - автомобили, оснащенные компрессорными дви-

гателями с ЭБУ (15,7 %);

4 - автомобили, оснащенные компрессорными дви-

гателями с ЭБУ и распределенным впрыском

5

1 - нарушения регулировки или отказы в работе топлив-

ных систем (35,1 %);

2 - изменения параметров датчиков и нарушения рабо-

ты ЭБУ двигателя (11,2 %);

3 - нарушения регулировки систем опережения впры-

ска топлива и газораспределения (26,1 %);

4 - причины, связанные с нарушением воздухоснабже-

ния двигателя (12,9 %);

5 - причины, связанные с техническим состоянием ЦПГ

ДВС

4

3

Рис. 4. Структура случаев превышения нормативных показателей токсичности отработавших газов автомобилей с дизельными двигателями: а - распределение потока отказов по типам топливных систем и наддуву; б - распределение причин, вызвавших отказ

Анализ количественного соотношения бензиновых и дизельных автомобилей позволил определить соотношение квалифицированных специалистов в штатном расписании мобильного поста диагностики транспортных двигателей.

Формирование потока отказов на основе превышения нормативных показателей токсичности отработавших газов с достаточной степенью достоверности отражает техническое состояние двигателей внутреннего сгорания обследуемых автомобилей. Это позволило определить соотношения характерных отказов и установить основное направление диагностических и регулировочных работ, а также установить критичные параметры рабочих процессов, подлежащие инструментальному контролю. С этой целью был проведен анализ полигонов распределений для вариационных рядов отказов по каждому типу двигателей, результаты которого представлены для автомобилей с бензиновыми (рис. 3, а) и дизельными двигателями (рис. 4, а).

Для уточнения комплекса критичных параметров приведены результаты анализа в виде распределения причин отказов (рис. 3, б и 4, б).

Следует указать, что для уменьшения количества вариационных рядов причин, вызвавших отказ, приведены случаи, которые наиболее типичны для рассматриваемых классов двигателей. Их удельный вес в общем потоке отказов данного типа ДВС составляет не менее 5 %. Так, например, отказы, связанные с качеством эксплуатационных материалов, были отнесены к случаям, наиболее близким по уровню функциональной надежности.

Установлено, что наиболее часто встречающиеся причины превышения токсичности отработавших газов автомобилей над нормативными показателями вызваны нарушениями регулировок или отказами в работе топливных систем. Однако для бензиновых двигателей основное влияние на токсичность отрабо-

тавших газов оказывают неправильные регулировки или отказы систем зажигания и газораспределения.

На основе статистических исследований были сформированы требования к персоналу поста диагностики, определен комплекс параметров рабочих процессов и подобраны технические средства для их измерения (рис. 5). Подбор оборудования для диагностического комплекса осуществлялся по критериям:

- функциональность и информативность;

- возможность питания от бортовой сети автомобиля или автономного источника питания;

- основная приведенная погрешность прибора должна быть не более 5 % верхнего предела измерений.

Выбранный комплекс технологического оборудования во многом определил методологию проведения диагностических испытаний и структуру мобильной информационно-диагности-

ческой системы (МИДС) [7]. Методы оценки надежности транспортных двигателей условно можно разделить на две группы:

1) инструментальные методы [7,

8, 12], позволяющие по объективным признакам сделать заключение о работоспособности узлов и агрегатов с меньшим уровнем точности и достоверности, но в кратчайшие сроки;

2) статистические методы [11, 13], позволяющие с высокой степенью точности и достоверностью, но за более длительный период установить показатели надежности сложных технических объектов.

Методология комплексного диагностирования основана на совместном применении инструментальных и статистических методов, что позволило минимизировать количество ошибок, связанных с локализацией неисправностей, достоверно оценить эффективность корректирующих воздействий, а также

уменьшить количество ошибок при инструментальном контроле. Объединение методик в одной информационно-диагностической системе позволило повысить достоверность результатов диагностирования

и эффективность корректирующих воздействий, создало предпосылки для повышения эксплуатационного ресурса ДВС.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

ИЗМЕРЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СО/СН В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ АВТОМОБИЛЕМ

ИЗМЕРЕНИЕ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕИ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

ИЗМЕРЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ СЖАТИЯ Рс И ГОРЕНИЯ Рі

ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО И ОСТАТОЧНОГО ВАКУУМА В ЦИЛИНДРЕ ДВС

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ОТКРЫТИЯ ИГЛЫ ФОРСУНКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВС

ИЗМЕРЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКА, ОПРЕССОВКА ТНВД

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВПРЫСКА ТОПЛИВА

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОТКРЫТИЯ ФОРСУНКИ ИНЖЕКТОРА

ЭФФЕКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ, МОЩНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДВИГАТЕЛЯ

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ КОМПРЕССИЯ ПО ЦИЛИНДРАМ

НАПРЯЖЕНИЕ И СИЛА ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ИЗМЕРЕНИЕ УОЗ, УЗСК, УОПТ

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

УРОВЕНЬ НАПРЯЖЕНИЯ СИГНАЛА ДАТЧИКОВ

ТЕМПЕРАТУРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

СКАНИРОВАНИЕ КОДОВ ОШИБОК ЭБУ

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ГИАМ-29 И АВТОТЕСТ МЕТА

ЭЛЕКТРОННЫЙ ОПТИЧЕСКИИ ДЫМОМЕР МЕТА 01 МП

АНАЛИЗАТОР ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОИ ГРУППЫ АГЦ-2

МЕХАНОТЕСТЕР ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ МТА-2

ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ОПРЕССОВКИ ТНВД

МОТОР-ТЕСТЕР М3-2

МУЛЬТИМЕТР АВТОМОБИЛЬНЫЙ вМ 4380В

Рис. 5. Комплекс параметров рабочих процессов и технические средства для их измерения

МИДС представляет собой распределенную информационную систему, состоящую из трех независимых информационно-связанных программных комплексов (рис. 6):

1) техническая система;

2) экологическая система;

3) нормативная система.

Объединяет все три информационнопрограммных комплекса экспертная диагностическая система, которая устанавливает количество реализуемых диагностических задач для каждого конкретного ав-

информационная

информационная

информационная

томобиля. Направленность и сложность диагностических операций, а также их последовательность определяются параметрами рабочих процессов (экологическая диагностика) и диагностическими матрицами, учитывающими статистические данные о техническом состоянии двигателя. Анализ полученных результатов начинается со сравнения с нормативными показателями и производится по логическим алгоритмам, которые составлены для каждого диагностируемого объекта (системы управления двигателя автомобиля, топливной системы, системы зажигания). Отдельно разработан алгоритм проверки состоя-

ll

ния цилиндропоршневой группы (ЦПГ), основанный на применении анализатора герметичности цилиндра, который позволяет с высокой точностью и достоверно оценить состояние ЦПГ без разборки двигателя. Для оперативной оценки состоя-

ния и настройки топливной аппаратуры дизельных двигателей, предусмотрено применение методик, позволяющих проведение диагностики без снятия форсунок и топливного насоса высокого давления с двигателя [14].

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ

ДИАГНОСТИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ

ДИАГНОСТИКА

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ

БАЗА ДАННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕИ ДВС

БАЗА ДАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕИ ДВС

БАЗА ДАННЫХ НОРМ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕИ ДВС

Рис. 6. Структурная схема распределенной МИДС

Формирование МИДС последовательно реализовывалось по единому плану, обеспеченному необходимыми нормативными документами, определяющими общие требования к технической и экологической диагностике, информационной системе, ее составу, регламенту заполнения протоколов замеров, контролю качества и достоверности измерений. Право на проведение испытаний и область деятельности сектора диагностики транспортных двигателей, использующе-

го МДК, удостоверено сертификатом соответствия № БУ/112 04.1.2.ОЕ 0811, выданным органом по сертификации услуг автомотосервиса Республиканского унитарного предприятия «Гомельский центр стандартизации, метрологии и сертификации». Техническая компетентность и независимость, в соответствии с требованиями СТБ ИСО/МЭК 17025, подтверждены аттестатом аккредитации № БУ 112 02.1.1.0928 [10].

Заключение

На основе статистического анализа случайного распределенного потока автотранспортных средств установлены:

- распределение потока АТС по возрастной категории и по признакам происхождения;

- распределение потока АТС по способам образования рабочей смеси, типам топливных систем и признакам происхождения;

- вероятностные соотношения характерных отказов ДВС и причин, их вызывающих.

Это позволило определить оптимальный комплекс исследуемых параметров рабочих процессов ДВС и технических средств для их измерения.

На основе научного подхода определена методология диагностических испытаний ДВС и структура мобильного диагностического комплекса.

Разработана структура распределенной информационной системы, включающей в себя три независимых информационно-связанных программных комплекса и экспертную систему, основанную на применении алгоритмов и диагностических матриц, учитывающих статистические данные о техническом состоянии конкретного двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коротков, М. В. Пробег и экологическая безопасность автомобиля / М. В. Коротков, Е. В. Бондаренко // Автомобильная промышленность. -2003. - № 5. - С. 8-9.

2. Nadeau, J. Mon carburant roult plus vert / J. Nadeau // Environ. mag. - 2000. - № 1589. -P. 36-40.

3. Mobiles Kozept für kleine Werkstätten. KFZ-Betrieb : Die Wochenzeitung fur Autochaus und Werkstatt. - 2000. - Vol. 90, № 42. - P. 36.

4. Савич, Е. Л. Техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей : учеб. пособие / Е. Л. Савич, М. М. Болбас, В. К. Ярошевич ; под общ. ред. Е. Л. Савича. - Минск : Выш. шк., 2001. -479 с.

5. Болбас, М. М. Основы технической эксплуатации автомобилей : учебник / М. М. Болбас. - Минск : Амалфея, 2001. - 352 с.

6. Невзоров, В. В. Улучшение экологических и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания путем регулирования процесса топливоподачи / В. В. Невзоров, С. И. Су-хопаров, Г. И. Росин // Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса : тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. - Гомель : БелГУТ, 2003. - С. 186-187.

7. Голубихин, Ю. А. Методика диагностирования эколого-технических показателей дизельных двигателей транспортных средств по составу отработанных газов : автореф. дис. ... канд. техн. наук - СПб. : 2005. - 22 с.

8. Алифанов, А. Л. Об эффективности применения предварительной информации при прогнозировании в ремонте и эксплуатации автомобилей / А. Л. Алифанов // Известия вузов. Горный журнал. - 2000. - № 1. - С. 63-67.

9. Бондаренко, Е. В. Повышение эффективности эксплуатации и экологической безопасности автотранспортной системы на основе ресурсосберегающих технологий : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Оренбург : 2005. - 35 с.

10. Невзоров, В. В. Организация мобильного поста экспресс-диагностики технического состояния транспортных средств / В. В. Невзоров, В. М. Овчинников // Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов : материалы меж-дунар. науч.-техн. конф. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2004. - С. 220-221.

11. Спирков, С. Н. Теория статистики : учеб. комплекс / С. Н. Спирков. - 3-е изд. -Минск : МИУ, 2005. - 216 с.

12. Гринцевич, В. И. Экспертная оценка технического состояния автомобилей / В. И. Гринцевич // Вестн. Красноярского гос. техн. ун-та. - 2001. - № 25. - С. 86-89.

13. Байсхельт, Ф. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход : пер. с нем. / Ф. Байсхельт, П. Франкен. - М. : Радио и связь, 1988. - 392 с.

14. Портативные измерители дымности дизелей / М. С. Высоцкий [и др.] // Грузовик и автобус, троллейбус и трамвай. - 2000. - № 7. -С. 26-28.

Белорусский государственный университет транспорта Материал поступил 19.04.2007

V. V. Nevzorov, V. M. Ovchinnikov, S. I. Suhoparov Creation of a mobile diagnostic complex on the basis of statistical researches of ecological and technical parameters of automobiles during their operation

Belarusian State University оf Transport

On the basis of the statistical analysis of a casual stream of vehicles are established distribution of a stream on an age category and characteristic refusals of engines of internal combustion of diagnosed automobiles. The substantiation of creation of the mobile diagnostic complex including information diagnostic and expert systems for an estimation of the current condition of the engine is resulted. The technique of a complex estimation and management in ecological and technical parameters of the engine of internal combustion is determined.