СПОСОБ УДАЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ С ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR REMOTE MONITORING OF TECHNICAL CONDITION OF MOBILE MACHINE WITH INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Способ относится к области диагностики технического состояния мобильных машин с двигателем внутреннего сгорания и электронным управлением при эксплуатации, в частности к способам накопления и оценки информации о работоспособности систем мобильных машин для проведения своевременного технического обслуживания и ремонта узлов и агрегатов двигателя внутреннего сгорания.
Известен способ дистанционного диагностирования технического состояния двигателя внутреннего сгорания (РФ №2703850, G01M 15/04, G01C5/00), согласно которому от диагностических модулей и блока управления двигателя поступают сигналы, отображающие текущее техническое состояние систем двигателя и его функциональных узлов, посредством телекоммуникационных средств передается на сервер диагностического центра, а там с помощью специального программного обеспечения, которое посредством нейросетевого моделирования осуществляет прогнозирование остаточного ресурса систем и элементов двигателя, а также позволяет давать рекомендации о проведении профилактических обслуживаний и ремонтов двигателя. Сбор и обработка диагностической информации осуществляется посредством одноплатного компьютера, соединенного с диагностическими модулями и блоком управления двигателя, при этом одноплатный компьютер связан со спутниковым модемом для передачи диагностических данных на сервер диагностического центра средствами космической телекоммуникации.
Недостатком данного изобретения является неполная автономность процесса диагностики, при котором необходимо передавать информацию на сервер диагностического центра для анализа данных и принятия решений по дальнейшим ремонтным действиям.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному способу является способ диагностики технического состояния двигателя (РФ №2662017, G01M 15/04, G01F 9/00), основанный на измерении механических потерь на холостом ходу отличающийся тем, что диагностику проводят в два этапа. На первом этапе проводят постоянный мониторинг расхода топлива на режиме холостого хода и его сравнение с контрольными значениями, без влияния на процесс работы двигателя, и при значении расхода топлива выходящего за границы допуска, подают сигнал в электронный блок управления, запускающий второй этап диагностики. На втором этапе рассчитывают изменение механических потерь для данного отклонения расхода топлива, затем для оценки величины механических потерь включают процесс выбега, при котором частоту вращения выводят на заданный уровень для данного двигателя, отключают подачу топлива и замеряют угловое ускорение вала по осредненному значению зарегистрированного падения частоты вращения. Полученные значения сравнивают с их значением при рассчитанном изменении по расходу топлива и в случае их равенства делают заключение о неисправности механических систем, после чего принимают дальнейшие меры по обслуживанию или ремонту двигателя.
Недостатком данного изобретения является то, что из описания не ясен принцип передачи данных.
Задачей заявленного изобретения является повышение скорости получения своевременной оперативной информации о техническом состоянии мобильной машины с двигателем внутреннего сгорания в процессе эксплуатации в режиме реального времени, за счет передачи водителю информации о техническом состоянии двигателя.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля технического состояния мобильной машины с двигателем внутреннего сгорания, заключающемся в том, что во время работы мобильной машины проводят сбор и анализ данных, полученных с электронного блока управления, согласно предлагаемому техническому решению контроль технического состояния двигателя внутреннего сгорания проводят в два этапа, при на первом этапе проводят постоянный мониторинг цикловой подачи топлива на режимах холостого хода, с целью выявления превышения порога допустимого значения расхода топлива, с помощью одноплатного компьютера, который физически подключается к электронному блоку управления и осуществляет контроль, и при превышении граничных значений, включается второй этап диагностики, при котором одноплатный компьютер подает сигнал на электронный блок управления, для осуществления процесса выбега, при котором осуществляется контроль частоты вращения и отключается впрыск топлива, после чего рассчитываются диагностические показатели и выдаются рекомендации по дальнейшему обслуживанию и ремонту мобильной машины, которые с помощью модуля Bluetooth или Wi-fi передаются водителю мобильной машины, который уже информирует станцию технического обслуживания о прибытии на ремонт.
Отличительными признаками настоящего технического решения от прототипа, является наличие одноплатного компьютера 3, с помощью которого происходит сбор, обработка и предварительный анализ полученной информации от электронного блока управления 2, который установлен на мобильной машине с двигателем внутреннего сгорания 1, при этом одноплатный компьютер 3 имеет модуль Bluetooth или Wi-Fi 4, к которому подключается пользователь (водитель) с помощью мобильного телефона 5, для получения своевременной информации о техническом состоянии транспортного средства и имеет возможность передавать необходимую информацию на станцию технического обслуживания 6. Техническая суть изобретения поясняется иллюстрацией (чертеж), на которой схематично показан вариант сбора, обработки и анализа информации с мобильной машины 1 через электронный блок управления 2 к одноплатному компьютеру 3, с возможностью передачи информации с помощью модуля Bluetooth или Wi-Fi 4 на телефон 5, на станцию технического обслуживания 6 и обратно.
Совокупность перечисленных признаков позволяет достичь необходимого технического результата, заключающегося в удаленном контроле технического состояния мобильной машины с двигателем внутреннего сгорания работе мобильной машины в технически исправном состоянии, а также в повышении информативности диагностики технического состояния двигателя мобильной машины для проведения последующего предупредительного обслуживания и ремонта.
Для достижения необходимого технического результата, был разработан алгоритм диагностики технического состояния мобильной машины с двигателем внутреннего сгорания. При работе двигателя на холостом ходу, вся производимая двигателем индикаторная мощность идет на преодоление механических потерь. Исходя из теории, можно получить цикловую подачу топлива:
(1)
Анализируя выражение (1), при работе двигателя на контролируемой частоте вращения и на известном качестве топлива, изменение цикловой подачи топлива зависит от изменения мощности механических потерь и индикаторного КПД.
Изменение расхода топлива, свидетельствует о наличии неисправности, которая в свою очередь зависит либо от механических потерь, либо от индикаторного КПД. Поэтому необходимо применение второго метода определения механических потерь – метода выбега.
Метод выбега основывается на определении механических потерь с помощью измерения угловой частоты вращения при резком отключении подачи топлива. Время замедления частоты вращения зависит от момента сопротивления и от момента инерции вращающихся масс:
(2)
м
с
где:ε– угловое ускорение/замедление; ω – угловая частота вращения; N – мощность механических потерь двигателя; М– момент сопротивления; J – момент инерции вращающихся масс.
Так как, массу двигателя можно считать постоянной, момент инерции вращающихся масс тоже величина неизменная. Изменение времени падения угловой частоты вращения напрямую зависит от изменения показателей механических потерь двигателя.
Для того чтобы определить отклонение цикловой подачи топлива, которое возникает при появлении неисправности, необходимо найти отношение подачи неисправного двигателя к исправному. Так как двигатель один, неизменяемые показатели в отношении (1) сократятся, а мощность механических потерь можно выразить по выражению (2) через угловое ускорение, выражение для расчета изменения цикловой подачи топлива примет вид:
(3)
iэ
iн
н
э
где g – изменение цикловой подачи топлива;η – индикаторный КПД для эталонного двигателя; η – индикаторный КПД для неисправного двигателя; ε– угловое ускорение для неисправного двигателя; ε– угловое ускорение для исправного двигателя.
1
2
Для удобства дальнейших расчетов, отношение изменения цикловой подачи предлагается считать диагностическим показателем D, а отношение угловых ускорений для исправного и неисправного двигателя – D. Тогда отношение (3) примет вид:
(4)
Чтобы оценить влияние мощности механических потерь и индикаторного КПД, предлагается рассчитывать их влияние на изменение расхода топлива в долях по формулам (5) и (6):
1
2
δ = Д – 1      (5)
2
1
2
δ = Д/Д – 1     (6)
1
и
где, δ – оценка влияния мощности механических потерь; δ – оценка влияния индикаторного КПД.
Благодаря полученным отношениям, составлен порядок диагностики двигателя внутреннего сгорания.
На первом этапе диагностики постоянно контролируется расход топлива на холостом ходу, исключением составляет процесс пуска и прогрева двигателя (так как работа идет еще на неустановившихся режимах). Для контроля расхода топлива постоянно сравнивается расход, который есть в данный момент, с эталонным расходом топлива. Если значения действительного расхода топлива не выходят за границы допуска, то двигатель считается исправно работающим и в дальнейшей диагностике нет необходимости.
2
Если значения действительного расхода топлива превышают границы допуска, необходимо переходить ко второму этапу оценки технического состояния двигателя – к выбегу и расчету диагностического показателя D.
Для определения причины неисправности (либо это факторы, влияющие на механические потери, либо это факторы, влияющие на индикаторные показатели) необходимо сравнить два диагностических показателя. В случае, когда показатели равны или близки друг к другу, то неисправность возникла из-за появления проблем в узлах и агрегатах, оказывающих влияние на мощность механических потерь.
1
2
2
В случае, когда изменение цикловой подачи превышает изменение углового ускорения (D>D) или когда показатель Dравен единице, то неисправность в двигателе возникла из-за появления проблем с факторами, влияющими на индикаторные показатели.
2
В случае, когда показатель D больше единицы и условие равенства двух диагностических показателей не выполняется, то неисправность в двигателе возникла из-за факторов, влияющих на индикаторные показатели и на мощность механических потерь.
Для апробации описанного выше алгоритма, была собрана установка на базе дизельного двигателя внутреннего сгорания IVECO (максимальная мощность – 175 кВт, максимальный крутящий момент – 1020 Н*м, Iveco. NEFTier 3 series, 2007), для фиксации и анализа значений использовалась современная вычислительная техника.
Для анализа технического состояния двигателя и апробации разработанного алгоритма, специально последовательно вносились неисправности, влияющие на механические потери и индикаторные показатели. Первая неисправность – сопротивление впуску воздуха («Засоренный фильтр»), вторая неисправность – отсутствие подачи топлива в цилиндр («Неисправная форсунка»). Двигатель, который был использован на испытательном стенде, оснащен собственной системой диагностики, и кодов ошибок в процессе испытаний обнаружено не было. При внесении каждой неисправности двигатель приводился в исправное состояние.
-1
-1
1
Диапазон измерений частоты вращения при экспериментальной апробации находился в границе значений 700 – 1550 мин, шаг измерений составлял 100 мин, диапазон температур работы двигателя располагался в границе значений 20 – 95 °С. Фиксировались различные показатели двигателя, самыми главными из которых были – цикловая подача топлива, температура масла, расход воздуха. В результате сравнения был зафиксирован выход за границы допуска отклонений. На проводимые эксперименты граница была установлена в 10%. Исходя из этого, техническое состояние двигателя можно считать неисправным и приступать ко второму шагу диагностирования причины появления поломки. Для этих целей был рассчитан первый показатель D. На построенных графиках отмечены значения показателя для температур масла 60 и 70 °С
2
1
2
1
2
Следующим шагом диагностики был выбег. К электронному блоку управления двигателем, был подключен сканер Delphi, с помощью которого отключалась подача топлива и фиксировались значения частоты вращения до прекращения работы двигателя. На данном этапе был определен диагностический показатель D. Для примера, в таблице 1 приведены значения диагностических показателей Dи Dдля температур 60 и 70 °С, и рассчитано влияние мощности механических потерь и индикаторного КПД на отклонение от эталонного показателя расхода топлива, с помощью показателей δи δ
Таблица 1.
1
2
Значения диагностических показателей D и D
Показатель
Неисправность «Засоренный фильтр»
Неисправность «Неисправная форсунка»
60°С
70°С
60°С
70°С
D<sub>1</sub>
1,177
1,195
1,206
1,22
D<sub>2</sub>
1,064
1,054
1,01 ≈ 1
0,995 ≈ 1
δ<sub>1</sub>
1,064
1,054
0
0
δ<sub>1</sub>
0,11
0,13
0,21
0,22
Анализ неисправности «Засоренный фильтр», показал, что рост расхода топлива увеличивается пропорционально с ростом мощности механических потерь двигателя (рост составил 5-6% от эталонных значений) и с уменьшением индикаторного КПД (уменьшение составило 11-13% от эталонных значений).
Объяснить отклонение мощности механических потерь можно тем, что впуск воздуха был затруднен, из-за этого работа поршня на этапе насосного хода увеличилась.
Объяснить уменьшение индикаторного КПД можно тем, что ухудшилось воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за затрудненного впуска, при котором давление и температура в конце сжатия упали.
Анализ неисправности «Неисправная форсунка», показал, что мощность механических потерь в двигателе не изменилась. Поэтому на изменение расхода топлива оказали влияние только факторы, влияющие на индикаторный КПД (уменьшение показателя составило 21-22% от эталонных значений).
Объяснить падение индикаторного КПД можно тем, что двигатель работал на уменьшенном количестве форсунок 5 из 6, в теории это должно привести к увеличению подачи топлива в 6/5 раза или на 20%, что и было получено на практике.
Достоверность способа определения мощности механических потерь, показала, что относительная погрешность способа не превышает 5%.
Разработанный способ удаленного контроля технического состояния мобильной машины с двигателем внутреннего сгорания, проводимый в два этапа, где на первом этапе проводят постоянный мониторинг цикловой подачи топлива на режимах холостого хода, при выявлении превышения порога допустимого значения расхода топлива, включается второй этап диагностики, при котором одноплатный компьютер подает сигнал на электронный блок управления, для осуществления процесса выбега, после чего рассчитываются диагностические показатели, которые позволяют выдавать рекомендации по дальнейшему обслуживанию и ремонту мобильной машины и с помощью модуля Bluetooth или Wi-fi передаются водителю мобильной машины, который уже информирует станцию технического обслуживания о прибытии на ремонт, что исключает недостатки известных методов.