Розробка та реалізація методу автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна на основі порівняння спектрів сигналів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Кукурудзяк Юрій Юрійович

УДК 621.43.041 + 681.518.54

РОЗРОБКА ТА РЕАЛІЗАЦІЯ МЕТОДУ АВТОМАТИЗОВАНОГО ДІАГНОСТУВАННЯ СИСТЕМИ ЗАПАЛЮВАННЯ аВТОМОБІЛЬНОГО ДВИГУНА НА ОСНОВІ ПОРІВНЯННЯ СПЕКТРІВ СИГНАЛІВ

Спеціальність 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Ребедайло Вадим Миколайович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри автомобілів та транспортного менеджменту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пойда Анатолій Миколайович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин; кандидат технічних наук, професор Сандомирський Михайло Григорович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, професор кафедри тракторів і автомобілів.

Провідна установа: Національний транспортний університет, кафедра "Виробничі системи та сервіс на транспорті", Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Загальна характеристика роботи

запалювання автомобільный двигун

Актуальність теми. Технічний стан системи запалювання автомобільного двигуна безпосередньо впливає на багато показників його роботи. До числа таких показників відносять потужність двигуна, економічність, рівномірність і стійкість роботи, токсичність відпрацьованих газів та ін. Процес визначення несправностей в системі запалювання потребує постійного удосконалення поряд з постійним ускладненням конструкції сучасного автомобіля та більш жорстких вимог до охорони навколишнього середовища. Методи і засоби діагностування системи запалювання, що використовуються в Україні на даний час, не забезпечують в достатній мірі вимоги щодо ефективності та можливості автоматизації процесу діагностування. У таких методах не достатньо використовується діагностична інформація, яка міститься в параметрах електричних сигналів іскроутворення в циліндрах двигуна. Досить часто застосовуються застарілі методи почергового визначення діагностичних параметрів з низьким рівнем використання інформаційних технологій та великими затратами часу.

Отже, питання підвищення ефективності, створення передумов автоматизації діагностування системи запалювання, більш повного і досконалого аналізу діагностичної інформації на основі сучасних інформаційних технологій є досить актуальним, що і визначає доцільність даного дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідницьких робіт кафедри "Автомобілі та транспортний менеджмент" Вінницького національного технічного університету в галузі вдосконалення організаційно-технічної підготовки засобів транспорту до експлуатації. Дані дослідження виконувались в рамках договору № 18/7 від 21 січня 2002 року про творчу співдружність між кафедрою "Автомобілі та транспортний менеджмент" Вінницького національного технічного університету та підприємством ЗАТ "Вінницький таксомоторний парк" і пов'язані з впровадженням експрес-діагностування автомобілів на даному підприємстві. Робота виконувалась у відповідності з пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки на період до 2006 року, які визначені в Законі України від 11 липня 2001 року № 2623-ІІІ "Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки".

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розробка і наукове обґрунтування методу автоматизованого визначення технічного стану системи запалювання двигуна в умовах експлуатації засобів транспорту.

Об'єкт дослідження - робочі процеси системи запалювання, що змінюються в ході експлуатації і визначають технічний стан автомобільного двигуна.

Предмет дослідження - параметри електричних сигналів системи запалювання, що характеризують її технічний стан і складають інформаційну основу для автоматизації процесу діагностування.

Методи дослідження. При визначенні впливу несправностей системи запалювання на спектральні характеристики сигналу напруги застосовуються непараметричні методи спектрального аналізу та методи синтезу не рекурсивних фільтрів; математичне моделювання застосовується для розробки математичної моделі автоматизованого визначення діагностичних параметрів системи запалювання; фізичне моделювання, методи безмоторних (стендових) та моторних випробовувань застосовуються при проведенні експериментальних досліджень; методи математичної статистики та теорії похибок застосовуються для визначення похибок вимірювань та граничних відхилень діагностичних параметрів.

Для досягнення поставленої мети вирішені такі завдання:

- проведено аналіз наукових досліджень, порівняльний аналіз методів і засобів діагностування, вибрано методи, які забезпечують передумови автоматизації процесу діагностування системи запалювання автомобільного двигуна;

- вибрано і обґрунтовано діагностичні параметри, які мають високу інформативність, прості в реалізації вимірювань, проаналізовано фактори, що на них впливають;

- обґрунтовано теоретичні передумови застосування методів цифрової обробки сигналів для діагностування системи запалювання, розроблено аналітичну основу для визначення спектральних характеристик сигналу напруги системи запалювання;

- розроблено математичну модель зняття, реєстрації та попередньої обробки вхідних даних, алгоритм розподілу сигналу напруги системи запалювання на окремі реалізації та їх усереднення при постійній та змінній частоті обертів колінчатого валу;

- розроблено математичну модель та алгоритм автоматизованого визначення несправностей системи запалювання методом порівняння параметрів досліджуваного та еталонного сигналів, розроблено алгоритм поповнення інформаційної бази даних параметрів математичної моделі;

- розроблено відповідне програмне забезпечення, яке втілено в приладі автоматизованого діагностування системи запалювання.

Наукова новизна одержаних результатів

- вперше запропоновано математичну модель процесу діагностування системи запалювання автомобільного двигуна шляхом порівняння параметрів спектральної щільності потужності досліджуваного та еталонного сигналів, яка дозволяє автоматизувати процес постановки діагнозу;

- набув подальшого розвитку метод спектрального аналізу електричних сигналів системи запалювання шляхом розробки аналітичної основи аналізування частотного спектру усереднених реалізацій іскроутворення в циліндрах двигуна, що дало можливість використання діагностичної інформації, яка міститься в спектральних характеристиках сигналу напруги системи запалювання;

- вперше запропоновано науковий підхід визначення несправностей системи запалювання шляхом аналізу впливу цих несправностей на окремі ділянки частотного спектру сигналу напруги первинного кола, що дає можливість визначати різні несправності системи за одним діагностичним параметром;

- удосконалено модель розподілу сигналу напруги системи запалювання на окремі реалізації та метод їх усереднення шляхом зміни частоти дискретизації окремих реалізацій і приведення їх до однієї бази, що дає можливість усереднення реалізацій іскроутворення в окремих циліндрах при постійній та змінній частоті обертів колінчатого вала;

- удосконалено підхід створення інформаційної бази для автоматизованого діагностування системи запалювання автомобілів різних моделей шляхом впровадження можливості поповнення параметрів математичної моделі, що дозволяє створити адаптивну, відкриту систему діагностування.

Практичне значення одержаних результатів

- розроблено і експериментально перевірено алгоритм та програмне забезпечення автоматизованого визначення технічного стану системи запалювання в умовах експлуатації, які можуть бути використанні в технологічних процесах технічного обслуговування та ремонту засобів транспорту;

- розроблено алгоритм розподілу сигналу напруги системи запалювання на реалізації іскроутворення в окремих циліндрах двигуна та їх усереднення при постійній і змінній частоті обертів колінчатого вала, за якими можна аналізувати ступінь ідентичності іскроутворення в різних циліндрах на різних режимах роботи двигуна;

- розроблено алгоритм створення та поповнення інформаційної бази параметрів математичної моделі, який дає можливість створити і, при необхідності, поповнювати базу даних можливих несправностей систем запалювання різних типів;

- розроблено пакет прикладних програм, який забезпечує процес діагностування з використанням запропонованих методу, алгоритмів і приладу автоматизованого діагностування системи запалювання.

Особистий внесок здобувача

- проведено аналіз наукових досліджень, порівняльний аналіз методів і засобів діагностування системи запалювання автомобільного двигуна, визначені недоліки та переваги існуючих методів і засобів, а також перспективи їх удосконалення, на основі цього висунута ідея та наукова гіпотеза роботи;

- сформульовано науковий підхід автоматизації процесу діагностування системи запалювання шляхом цифрової обробки сигналу напруги первинного кола та дослідження його спектральних характеристик;

- розроблено математичну модель та алгоритми автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна;

- розроблено та виготовлено діючі фізичні моделі різних типів систем запалювання, які дозволяють імітувати робочі процеси в системі запалювання при різних режимах роботи, а також моделювати типові несправності системи запалювання;

- проведено експериментальні дослідження на автомобілях з різними типами систем запалювання, змодельовані типові несправності та створена відповідна база параметрів математичної моделі, що описують ці несправності;

- розроблено відповідне програмне забезпечення, спроектовано та виготовлено діагностичний прилад - цифровий аналізатор систем автомобіля "Автотест".

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались і обговорювались на VІІІ-ій науково-технічній конференції “Вимірювальна і обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2001 р.), V-ій, VІ-ій і VIІ-ій міжнародних науково-технічних конференціях “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи” (м. Севастополь, 2002-04 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Автомобільний транспорт в ХХІ столітті" (м. Харків, 2003 р.), 30-ій, 31-ій, 32-ій, 33-ій науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВНТУ (м. Вінниця, 2001-04 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 9 науковий працях, з них 6 праць опубліковано у фахових виданнях, затверджених ВАК України та 3 роботи опубліковані в збірниках матеріалів міжнародних наукових конференцій.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п`яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 205 сторінок, у тому числі: 68 рисунків на 62 сторінках, 11 таблиць на 12 сторінках, 3 додатки на 21 сторінці. Список використаних джерел налічує 122 найменування на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ зміст

У вступі обґрунтовано тему та актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведений порівняльний аналіз, існуючих на даний час, методів і засобів діагностування системи запалювання автомобільного двигуна, розглянуто сучасні вимоги до процесу діагностування та пріоритетні напрямки його вдосконалення.

Питанню діагностування системи запалювання автомобільного двигуна присвячена велика кількість робіт різних авторів. Значний вклад у розвиток науки в цьому напрямку зробили Абрамчук В.Є., Авдонькін Ф.Н., Біргер І.А., Болдін А.Г., Борц А.Д., Глухов В.В., Говорущенко М.Я., Грибенко С.М., Дмитренко А.В., Дунаєв А.П., Клімец Б.І., Клюєв В.В., Левінсон Б.В., Литвиненко В.В., Лудченко А.А., Мирошніков Л.В., Опарін І.М., Пархоменко П.П., Спічкін Г.В., Фламиш О., Харазов А.М., Шумик С.В. та ін. Досить великий об'єм досліджень у цій галузі, починаючи з 60-их років, був проведений в ХАДІ, де вперше був описаний метод діагностування системи запалювання по аналізу осцилограм, спроектований і розроблений діагностичний стенд ХАДІ-2. Проводились дослідження в МАДІ, НДІАТ, КПІ, АвтоВАЗ та інших структурах. Проте, поряд з усіма науковими досягненнями в цій галузі, питання діагностування системи запалювання залишається недостатньо вивченим і вимагає проведення додаткових теоретичних та експериментальних досліджень.

Аналіз літературних та наукових джерел показав, що існуючі методи діагностування системи запалювання не в повній мірі відповідають сучасним вимогам щодо визначення її технічного стану. Одним з основних недоліків є низький рівень автоматизації. Прямі методи діагностування, які передбачають почергове визначення діагностичних параметрів мають досить високу достовірність, але вони потребують порівняно великих затрат часу. В методі аналізу осцилограм напруги досить вагомим є людський фактор, оскільки несправності визначаються візуальним порівнянням осцилограм. Метод діагностики способом кодуванням несправностей виключає можливість числового аналізу діагностичних параметрів у процесі їх зміни. Діагностування побічними методами (по потужності, витраті палива та ін.) не дає однозначної відповіді про технічний стан системи запалювання.

На основі аналізу переваг та недоліків існуючих методів і засобів діагностування системи запалювання сформульовано основні вимоги до їх удосконалення: процедура діагностування повинна бути максимально простою в реалізації; визначення діагностичних параметрів повинно мати необхідну точність і достовірність, яка не повинна зменшуватись при різних режимах роботи двигуна; методи діагностування повинні забезпечити можливість автоматизації процесу діагностування, на основі використання сучасних інформаційних технологій, застосування комп'ютерної діагностики та моделювання, де використання ПК можливе сумісно з мотор-тестерами.

У другому розділі викладені основні теоретичні дослідження, сформульовано науковий підхід і розроблено математичну модель визначення діагностичних параметрів системи запалювання. Система запалювання, як і будь-яка інша система автомобіля, може бути охарактеризована рядом діагностичних і структурних параметрів. На основі аналізу критеріїв діагностичної цінності (прости реалізації, ступені інформативності та достовірності) оптимальним параметром для визначення технічного стану системи запалювання прийнятий характер зміни напруги у первинному колі.

Сигнал зміни напруги можна представити як функцію часу , яка є неперервною і обмеженою в часі (). Для можливості проведення процесу аналізу сигнал напруги поділяється на окремі реалізації по циліндрах двигуна. За одну реалізацію приймається частина сигналу, що відповідає часу роботи системи в одному циліндрі (- номер циліндра двигуна, - номер реалізації сигналу іскроутворення в цьому циліндрі). Інтервал часу, що відповідає одній окремій реалізації прийнятий інтервалом аналізу - . При постійній частоті обертів колінчатого валу двигуна інтервали аналізу будуть рівні і сигнал, з деякими припущеннями, приймається як періодичний і стаціонарний. Із зміною частоти обертів інтервали аналізу змінюються і сигнал переходить з категорії періодичних в категорію нескінченних.

При постійній частоті обертів колінчатого валу

()

, (1)

де - усереднений період повного робочого циклу двигуна.

При змінній частоті обертів колінчатого валу

()

, (2)

де - період кожного повного робочого циклу двигуна.

Усереднена функція реалізацій сигналу напруги в одному циліндрі

, (). (3)

При змінній частоті обертів колінчатого валу інтервали аналізу для окремих реалізацій будуть різними і формула (3) не може бути реалізована. Для можливості усереднення доцільно окремі часові реалізації звести до однакового базового часового проміжку. Нехай і - інтервали аналізу двох будь-яких реалізацій одного m-го циліндра (?), які описуються функціями і відповідно. Приймемо інтервал аналізу як базовий. Процес масштабування сигналів можна записати у виді

; , (4)

де - масштабний коефіцієнт. Якщо || > 1, то сигнал стискається, а якщо || < 1 - розтягується.

З урахуванням масштабних коефіцієнтів , сигнал напруги може бути представлений рядом Фур'є

, (5)

де ; ; .

Це підтверджує можливість визначення спектральних характеристик окремих реалізацій як при постійній так і при змінній частоті обертів колінчатого валу двигуна.

Математична модель, яка описує технічний стан системи запалювання, може бути представлена у виді матриці параметрів

. (6)

Параметр характеризує технічно справний стан системи, а параметри характеризують одиночні типові несправності або їх комбінації. Для описання параметра представимо його як функцію багатьох змінних - внутрішніх параметрів: . Завдання створення математичної моделі зводиться до встановлення зв'язку між параметрами математичної моделі та технічним станом системи запалювання. Кожна несправність системи впливає на зміну спектральних характеристик сигналу напруги первинного кола, тому параметрам математичної моделі можна поставити в залежність характеристики спектральної щільності потужності (СЩП) у вибраних діапазонах частот.

Значення СЩП являють собою одномірний масив даних, кожний елемент якого відповідає окремому значенню частоти, яка змінюється від 0 до (до половини частоти дискретизації). Цей масив даних поділимо на діапазонів як показано на рис. 2. Кожний діапазон можна розглядати як частину графіка СЩП - . Тоді параметр математичної моделі набуде виду матриці

. (7)

Кожний елемент приведеної матриці, в свою чергу, являє собою одномірний масив даних. Проведемо його інтерполяцію і визначимо коефіцієнти поліномів, які будуть описувати графік функції, що відповідає даному діапазону частот. Для інтерполяції вибираємо поліном четвертого порядку. Тоді кожний діапазон частот можна представити функцією

. (8)

Таким чином, залежність (7) буде представлена у виді матриці поліномів, або у спрощеному виді коефіцієнтами поліномів

. (9)

Отже, виразом (9) може бути описаний будь-який стан системи запалювання - справний і при наявності типових несправностей. По описаному алгоритму, визначаються параметри математичної моделі. Створюється відповідна інформаційна база даних.

У процесі діагностування автомобіля, відповідно виразу (9), визначається параметр системи, що досліджується. Автоматичне порівняння параметра з параметрами з бази даних дає можливість автоматизувати процес пошуку несправностей в системі запалювання.

Параметру поставлений у відповідність графік СЩП , кожний діапазон частот якого описаний поліномом (8). Визначимо коефіцієнти кореляції між кожним діапазоном частот СЩП досліджуваного сигналу і відповідним діапазоном частот СЩП сигналу з бази даних

, (10)

де - номер параметра з бази даних (); - номер діапазону частот у графіку СЩП (); - початок -го діапазону частот; - стандартні відхилення -го діапазону частот; - середні значення -го діапазону частот.

Визначені коефіцієнти кореляції зводяться в матрицю

. (11)

Кожна стрічка даної матриці характеризує наскільки корелює параметр досліджуваного сигналу з одним із параметрів бази даних по окремих діапазонах частот. Оскільки кожний параметр бази даних описує якусь несправність системи запалювання, то на основі цього робиться висновок про її технічний стан. Параметр досліджуваного сигналу вважається відповідним параметру бази даних, якщо всі коефіцієнти кореляції i-ї стрічки матриці (11) більші допустимого значення .

Алгоритм створення інформаційної бази параметрів математичної моделі, передбачає можливість її поповнення в процесі функціонування діагностичної системи, що робить запропонований метод відкритим і адаптованим для різних типів систем запалювання.

Третій розділ присвячений практичній реалізації запропонованого методу діагностування. Першим етапом діагностування є зчитування сигналу напруги з системи запалювання і передача його в пам'ять ПК. Зчитаний сигнал являє собою одномірний масив даних , елементи якого визначені через деякий інтервал часу (період дискретизації). Характеристикою прийнятого масиву даних є частота дискретизації . На першому етапі масив поділяється на окремі реалізації по циліндрах двигуна, після чого він може бути представлений у вигляді матриці

. (12)

Інтервал часу, що відповідає одній окремій реалізації (інтервал аналізу) визначається як

, (13)

де - кількість вибірок реалізації; - частота дискретизації, Гц.

Кількість вибірок однієї реалізації визначається числом елементів відповідного масиву . Для проведення подальшої цифрової обробки і дослідження сигналу необхідно визначити усереднені реалізації іскроутворення в кожному циліндрі двигуна. При постійній частоті обертів колінчатого вала кількість вибірок окремих реалізацій однакова ( ), і процес усереднення може бути здійсненим за формулою

. (14)

При змінній частоті обертів колінчатого вала кількість вибірок у першій і другій реалізації різна ( ), при однаковій частоті дискретизації інтервали аналізу також різні ( ). Для можливості використання формули (11) необхідно, щоб кількість вибірок у першій і другій реалізації була однаковою. Для виконання цієї умови виконується зміна частоти дискретизації отриманих реалізацій і приведення їх до однієї базової кількості вибірок .

Процес зміни частоти дискретизації виконується в два етапи: перший етап (інтерполяція) - збільшення частоти дискретизації в ціле число разів, рівне новій кількості вибірок ; другий етап (проріджування) - зменшення частоти дискретизації в ціле число разів, рівне поточній кількості вибірок . Таким чином, нова частота дискретизації для кожної окремої реалізації буде знайдена за формулою

. (15)

Частота дискретизації сигналу повинна, щонайменше вдвічі перевищувати максимальну частоту його гармонік, тому, після зміни частоти дискретизації, сигнал напруги необхідно пропустити через фільтр нижніх частот з частотою зрізу рівною:

(16)

По мірі надходження цифрового сигналу іскроутворення в пам'яті ПК накопичуються пакети реалізацій для кожного циліндра, для яких виконується зміна частоти дискретизації, всі вони приводяться до однієї бази (з кількістю вибірок ) і усереднюються. Перед процедурою усереднення з кожного пакета реалізацій вилучаються аномальні реалізації, причина появи яких пояснюється наявністю зовнішніх завад при зчитуванні сигналу.

Згідно з розробленою математичною моделлю, для описання її параметрів, визначається спектральна щільність потужності усереднених реалізацій іскроутворення для кожного циліндра двигуна. Для визначення СЩП використовується непараметричний метод Уелча, який передбачає розподіл реалізації, що досліджується на сегментів, які перекриваються. Для кожного сегмента, який помножується на вагову функцію (вікно Хемінга), визначається модифікована періодограма , після чого всі періодограми сегментів усереднюються

; , (17)

де - кількість вибірок реалізації сигналу.

Для визначення впливу несправностей системи запалювання на окремий діапазон частот використовується смуговий цифровий фільтр, який дає можливість розглядати поведінку графіка СЩП в діапазоні смуги пропускання фільтра.

Аналіз частотного спектру сигналу напруги передбачає визначення оптимальних меж діапазонів частот, в яких будуть виконуватись дослідження. Це можна обґрунтувати тим, що складові гармоніки сигналу напруги системи запалювання знаходяться тільки у визначених діапазонах, а не обґрунтоване збільшення меж цих діапазонів призведе до збільшення об'ємів розрахунків.

Процес горіння іскри складається з ємнісної та індуктивної фази. Ємнісна фаза триває кілька мікросекунд. Індуктивна фаза набагато триваліша (1-2 мС). Експериментально, з використанням аналогового осцилографа С1-114 визначено, що основні частотні гармоніки, які складають інтерес для діагностування, містяться в індуктивній фазі в діапазоні частот від 5 до 60 кГц. Частота дискретизації сигналу вибирається з умови адекватності представлення аналогового сигналу його дискретними вибірками. Частота дискретизації вибрана 125 кГц, вдвічі більшою максимальної частоти гармонік індуктивної фази.

Використання запропонованого методу діагностування системи запалювання може бути здійснене при виконанні деяких граничних умов, які передбачають правильність функціонування синхронізуючого імпульсу, який керує первинною обмоткою котушки запалювання. В процесі діагностування також враховуються супутні фактори, які можуть впливати на характер зміни напруги первинного кола системи запалювання. До таких факторів відносяться: тиск в камері згоряння, температура робочої суміші, якість робочої суміші, режим роботи двигуна. Процедури визначення граничних умов та врахування супутніх факторів здійснюються стандартними функціями мотор-тестера в автоматичному режимі, але без застосування методів спектрального аналізу.

На базі математичної моделі розроблені алгоритми діагностичних процедур на всіх етапах процесу діагностування. Алгоритми працюють в діалоговому режимі і орієнтовані на автоматизацію визначення технічного стану системи запалювання.

У четвертому розділі описана методика експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження проводились з використанням, розробленого автором, цифрового аналізатора систем автомобіля "Автотест". В якості контрольних застосовувались стандартні засоби діагностики: діагностичний комплекс "Спрут-тестер", аналоговий автотестер К-484, осцилограф Э-206, осцилограф С1-114. Серія експериментів проводилась двома методами:

Безмоторний метод. Дослідження проводились на спроектованих діючих моделях різних типів систем запалювання та систем керування двигуном. Умови роботи системи запалювання на розроблених моделях максимально наближені до реальних. Безмоторний метод досліджень дав можливість налагодження і перевірки достовірності функціонування запропонованих методу та алгоритмів.

Моторний метод. Дослідження проводились на автомобілях з різними типами систем запалювання на різних режимах роботи двигуна. Дослідження моторним методом дало можливість експериментально перевірити запропонований метод діагностування в реальних умовах експлуатації автомобіля. Для експериментальних досліджень вибрано автомобілі з типовими системами запалювання: автомобіль ВАЗ-2107 (контактна система запалювання); автомобілі ВАЗ-2108, ЗАЗ-1102 (безконтактна система запалювання з датчиком Хола); автомобіль "Opel Senator" (система керування двигуном "Bosch Motronic"); автомобіль ГАЗ-3110 (мікропроцесорна система запалювання без розподільника). Основними критеріями, що впливали на вибір об'єктів дослідження приймалися розповсюдженість в експлуатації і різновидність типів систем запалювання.

Сигнали напруги зчитувались з справної системи запалювання та при моделюванні різних типових несправностей, таких як: обрив ПВН, пошкодження ізоляції ПВН, неправильний іскровий зазор, замаслення свічки запалювання, пошкодження обмоток котушки запалювання та ін. Принцип моделювання несправностей такий: у справній системі запалювання почергово моделюється тільки одна несправність; для впевненості ця несправність перевіряється стандартними методами з використанням контрольних засобів; визначаються спектральні характеристики сигналу напруги системи запалювання з цією несправністю; визначаються відповідні параметри математичної моделі, які заносяться в базу даних; після цього моделюється наступна несправність. При моделюванні несправностей приймається припущення, що змодельована несправність в одному з елементів системи запалювання не впливає на технічний стан інших (вони вважаються справними). Моделювання типових несправностей дозволяє створити інформаційну базу даних параметрів математичної моделі.

Перед проведенням експериментальних досліджень двигуну, і системі запалювання особливо, проводились регламентні роботи по технічному обслуговуванню, передбачені заводом-виготовлювачем і нормативно-технічною документацією.

Для проведення експериментальних досліджень безмоторним методом були розроблені і виготовлені спеціальні діючі моделі, які максимально наближають роботу системи до реальних умов. Таких моделей виготовлено дві: 1) для моделювання роботи контактної системи запалювання та безконтактної з датчиком Хола; 2) для моделювання роботи комплексної системи керування двигуном типу Motronic фірми BOCSH. Обидві моделі з електроприводом і регулятором частоти обертання валу розподільника високої напруги. Вони виготовлені на стандартних елементах відповідних типів систем запалювання.

Автором спроектований і розроблений цифровий аналізатор систем автомобіля “Автотест”, який являє собою восьми канальний діагностичний пристрій призначений для зчитування аналогових сигналів з характерних місць діагностики, перетворення цих сигналів у цифрові і передачі їх в пам'ять ПК. Прилад дає можливість досліджувати сигнали з досить високою частотою дискретизації (до 1 МГц). Це дало можливість провести аналіз частотного спектру в досить широкому діапазоні частот (до 500 кГц) і визначити діапазон частот, який складає інтерес для діагностування (5-60 кГц). Частота дискретизації сигналу при зчитуванні встановлюється програмно. Для передачі даних в пам'ять ПК виконується дискретизація і квантування аналогового сигналу. Похибка квантування визначається розрядністю аналогово-цифрового перетворювача (АЦП). В цифровому аналізаторі прийнятий 12-розрядний АЦП. З кроком квантування В. Відносна похибка квантування при подачі на вхід сигналу 1 В рівна 0,37 %, відношення сигнал/шум рівне 212834,4.

П`ятий розділ присвячений аналізу експериментальних досліджень. Аналіз графіків СЩП показує, що кожна змодельована несправність по-своєму впливає на характер зміни значень СЩП у визначених діапазонах частот (Рис. 3).

Суть проведених експериментальних досліджень полягає у визначенні спектральних характеристик сигналу напруги системи запалювання у різних умовах і визначенні впливу несправностей досліджуваної системи на ці характеристики, що описуються параметрами математичної моделі.

Для дослідження характеристик СЩП в необхідному діапазоні частот (5-60 кГц) розрахований відповідний цифровий фільтр. Порядок фільтра - 20. В якості функції вікна вибрано вікно Хеммінга довжиною 21.

Параметри математичної моделі визначаються коефіцієнтами поліномів четвертого порядку. В табл. 1 приведені матриці коефіцієнтів поліномів для параметра справного технічного стану системи запалювання і параметра при типовій несправності системи - обрив центрального ПВН. Графіки СЩП попередньо поділені на десять діапазонів частот. Коефіцієнти поліномів визначені методом інтерполяції. Параметри математичної моделі для інших несправностей визначаються аналогічно.

Таким чином, в базу даних заносяться значення параметрів математичної моделі при різних несправностях системи запалювання. Процес діагностування зводиться до визначення коефіцієнтів кореляції між поліномами відповідних діапазонів частот досліджуваного і базового сигналів. Як приклад, для автомобіля з несправністю в системі запалювання "обрив центрального ПВН", яка перевірена стандартними методами, в табл. 2 приведені коефіцієнти кореляції параметрів досліджуваного сигналу з базовими параметрами математичної моделі.

Таблиця 1

Параметри математичної моделі при різних несправностях системи запалювання

Параметр математичної моделі	Технічний стан системи	Номер діапазону частот	Коефіцієнти поліномів
			a	b	c	d	g
1	2	3	4	5	6	7	8
Х0	Система справна	1	9,14E-06	-0,000283	-0,001916	0,08438	-0,2927
		2	-1,00E-05	0,001195	-0,052577	1,6086	22,5
		3	1,02E-05	-0,000854	-0,004213	0,27824	58,783
		4	2,41E-05	-0,003877	0,19099	-2,7108	20,374
		5	-1,06E-08	8,63E-05	-0,004136	-0,40935	28,646
		6	2,45E-07	-5,85E-05	0,004950	-0,21526	8,2371
		7	-2,39E-07	3,86E-05	-0,002031	-0,014474	3,8971
		8	-2,93E-07	3,02E-05	-0,000495	-0,038047	1,3328
		9	1,25E-07	-1,30E-05	0,000497	-0,004178	0,14732
		10	1,45E-07	-1,25E-05	0,000212	-0,000643	0,34745
Х1	Обрив Центрального ПВН	1	-2,47E-05	0,007163	-0,29211	3,4118	-8,6677
		2	-0,000144	0,018306	-0,83785	12,618	173,67
		3	-5,14E-05	0,003682	-0,005960	-3,5514	91,073
		4	-3,48E-05	0,001262	0,11226	-4,0518	41,066
		5	-9,08E-06	0,001688	-0,094071	0,57838	60,559
		6	1,72E-06	-0,000373	0,026091	-0,67687	7,9738
		7	-5,10E-07	2,39E-05	0,000529	-0,000348	3,4574
		8	2,43E-07	1,08E-05	-0,002324	-0,013579	4,5547
		9	1,50E-07	-2,91E-05	0,002020	-0,055988	0,87758
		10	2,70E-07	-2,07E-05	0,000220	0,000196	0,43681

Аналіз значень коефіцієнтів кореляції показує, що параметри досліджуваного сигналу відповідають параметру бази даних, який описує несправність "обрив центрального ПВН". Отже, інформаційна база параметрів математичної моделі дає можливість встановлення кореляційного зв'язку між параметрами досліджуваного та базового сигналів. Такий аналіз є основою автоматизованого визначення несправностей системи запалювання.

Аналіз результатів діагностування різних типів систем запалювання показав, що характеристики СЩП (відповідно і параметри математичної моделі) безконтактної (з розподільником) та мікропроцесорної (статичної) систем запалювання подібні, але вони відрізняються від характеристик СЩП контактної системи. Для контактної системи запалювання досить характерними є діапазони частот в межах 12 кГц і 35 кГц, для безконтактної - діапазон частот від 5 кГц до 30 кГц.

Таблиця 2

Коефіцієнти кореляції для системи з несправністю обрив центрального ПВН

Параметри математичної моделі	Коефіцієнти кореляції з різними параметрами математичної моделі
	Діапазони частот СЩП
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Х0	0.9956	0.7872	0.5445	0.1732	0.8342	0.9922	0.8972	0.7427	0.5995	0.8865
Х1	0.9999	0.9926	0.9655	0.7857	0.8998	0.8330	0.8908	0.9220	0.9522	0.9252

Розроблений метод автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна має ряд переваг над методами діагностування, існуючими на даний час. Основна перевага запропонованого методу над іншими - це можливість його автоматизації. Такий підхід дозволяє звести до мінімуму вплив людського фактору при встановленні результатів діагностування. Експериментальними дослідженнями встановлено, що достовірність запропонованого методу становить не менше 80 %. Даний метод діагностування, в порівнянні з іншими, складається з досить малої кількості елементарних перевірок: визначається тільки один діагностичний параметр - напруга первинного кола. В порівнянні з методом комплексного аналізу діагностичних параметрів за допомогою комп'ютерного мотор-тестера, тривалість діагностичних операцій запропонованого методу зменшена в 2-3 рази. Для реалізації даного методу не потрібне дороге діагностичне обладнання.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі запропоновано і експериментально підтверджено новий науковий підхід до визначення несправностей системи запалювання автомобільного двигуна. Розроблено та реалізовано метод, який дозволяє автоматизувати процес діагностування та скоротити час пошуку несправностей. В основі методу лежить математична модель, параметри якої відображають взаємозв'язок між спектральними характеристиками сигналу напруги системи запалювання та несправностями системи. Підводячи підсумки результатів дисертаційного дослідження можна зробити такі висновки:

1. На підставі аналізу науково-технічної літератури встановлено, що методи і засоби діагностування системи запалювання автомобільного двигуна на даний час не достатньо автоматизовані. Існуючі методи передбачають послідовне визначення загальноприйнятих діагностичних параметрів з їх подальшим системним аналізом (пробивної напруги, напруги горіння іскри, тривалості іскрового розряду, кута випередження запалювання, опору окремих ділянок та ін.). При діагностуванні методом аналізу осцилограм досить вагомим є вплив людського фактору, оскільки такий аналіз виконується візуально. У даній роботі запропоновано метод автоматизованого діагностування системи запалювання з аналізом одного діагностичного параметра - частотного спектру сигналу напруги первинного кола.

2. У роботі запропоновано новий підхід до автоматизації процесу діагностування системи запалювання. В його основі лежить автоматичне порівняння параметрів математичної моделі, які описують спектральні характеристики сигналу напруги первинного кола досліджуваної системи з параметрами, що містяться в інформаційній базі даних.

3. З метою обґрунтування вибору діагностичних параметрів та обґрунтування теоретичних передумов застосування методів цифрової обробки сигналів для діагностування системи запалювання в роботі проведений аналіз частотного спектру сигналу напруги первинного кола. Виконані дослідження показують, що різні несправності системи запалювання по-різному впливають на зміну спектральної щільності потужності в діапазоні 5-60 кГц. Аналітична основа, розроблена для визначення спектральних характеристик сигналу напруги системи запалювання, дає можливість врахувати діагностичну інформацію, що міститься в частотному спектрі досліджуваного сигналу.

4. Розроблена математична модель автоматизованого діагностування системи запалювання, яка дозволяє використовувати методи цифрової обробки сигналів на всіх етапах процесу діагностування:

- зняття, реєстрація і попередня обробка вхідних даних, усереднення окремих реалізацій при постійній і змінній частоті обертів колінчатого вала;

- визначення параметрів математичної моделі, які характеризують технічний стан системи запалювання в числовій формі - у вигляді матриці коефіцієнтів поліномів, що відповідають окремим діапазонам частот спектральної щільності потужності досліджуваного сигналу;

- автоматизоване визначення кореляційної залежності між параметрами досліджуваного та базового сигналів.

5. Метод автоматизованого діагностування системи запалювання можна вважати як адаптивну, відкриту діагностичну систему, на основі передбаченої можливості поповнення інформаційної бази даних параметрів математичної моделі, які описують різні несправності системи запалювання. Такий підхід дозволяє налаштувати діагностичну систему для різних типів систем запалювання і поповнювати інформаційну базу при появі несправностей, які в неї не занесені.

6. У роботі вирішується проблема підвищення ефективності і якості діагностування системи запалювання, спрямована на зниження трудомісткості процесу діагностування, його автоматизації і підвищення достовірності отриманої інформації. Достовірність запропонованого методу не нижче 80 %. Запропонований метод дає можливість в 2-3 рази скоротити час діагностування в порівнянні з стандартними методами комп'ютерного діагностування. Даний метод простіший в реалізації і не потребує спеціальних сенсорів для зчитування діагностичної інформації.

7. Для практичної реалізації запропонованого методу діагностування розроблено пакет прикладних програм, який містить реалізацію алгоритму визначення параметрів математичної моделі, що описують технічний стан системи запалювання, алгоритму створення та можливості поповнення інформаційної бази параметрів при різних несправностях системи, алгоритму автоматизованого порівняння параметрів досліджуваного сигналу з базовими параметрами та встановлення відповідних діагностичних висновків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Аналіз методів і засобів діагностики електронного та електричного обладнання автомобілів. // Вісник Національного транспортного університету та Транспортної академії України. - К.: НТУ. - 2002. - №7. - С. 389-391. Здобувачем проведений аналіз існуючих на даний час методів і засобів діагностування електрообладнання автомобіля і системи запалювання зокрема. Визначені недоліки та переваги існуючих методів та перспективи їх удосконалення.

2. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Діагностування автомобілів цифровим аналізатором систем автомобіля “Автотест” // Автошляховик України / Науково-виробничий журнал. - К.: ДержавтотрансНДІпроект. - 2003. - №3 (173). - С. 22-23. Здобувачем сформульовано основні принципи діагностування систем автомобіля за допомогою, розробленого авторами, цифрового аналізатора систем автомобіля “Автотест”.

3. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Исследование способов диагностирования систем зажигания и впрыска бензина. // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета / Сб. науч. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2003. - Вып.21. - С. 55-57. Здобувачем запропоновано метод діагностування системи запалювання на основі різниць спектральних характеристик досліджуваного та еталонного сигналів.

4. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Цифровая обработка сигналов системы зажигания с изменением частоты дискретизации. // Автомобильный транспорт / Сб. науч. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2003. - Вып.13. - С. 21-24. Здобувачем описана модель усереднення окремих реалізацій сигналу системи запалювання при постійній та змінній частоті обертів колінчатого валу. Для цього запропоновано метод зміни частоти дискретизації окремих реалізацій.

5. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Диагностирование системы зажигания двигателя непараметрическими методами спектрального анализа. // Вісник Східноукраїнського національного університету / Науковий журнал. - Луганськ: СНУ ім. Володимира Даля. - 2004. - №7(77) (Частина 1). - С. 122-126. Здобувачем запропоновано використання непараметричного методу Уелча для встановлення взаємозв'язку між несправностями системи запалювання та спектральними характеристиками сигналу напруги первинного кола. Здобувачу належить проведення експерименту та обробка експериментальних даних.

6. Кукурудзяк Ю.Ю. Модель автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна // Автомобильный транспорт / Сб. науч. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2004. - Вып.15. - С. 56-58.

7. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Діагностика електрообладнання автомобілів та систем двигуна методами цифрової обробки сигналів // Матеріали VІІІ-ї наук.-техн. конф. “Вимірювальна і обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - Хмельницький: ТУП. - 2001. - С.165-168. Здобувач запропонував використання швидких перетворень Фур'є для діагностування систем двигуна.

8. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Цифровой анализатор систем автомобиля “Автотест” // Материалы V-й междунар. науч.-техн. конф. “Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы”. - Севастополь: СевНТУ. - 2002. - С.158-161. Здобувачем запропоновано використання, розробленого авторами, цифрового аналізатора для діагностування систем двигуна.

9. Ребедайло В.М., Кукурудзяк Ю.Ю. Диагностирование системы зажигания двигателя при изменении частоты оборотов коленчатого вала // Материалы VI-й междунар. науч.-техн. конф. “Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы”. - Севастополь: СевНТУ. - 2003. - С.21-23. Здобувачем запропоновано метод зміни частоти дискретизації окремих реалізацій сигналу напруги системи запалювання для їх усереднення при змінній частоті обертів колінчатого вала двигуна.

АНОТАЦІЯ

Кукурудзяк Ю.Ю. Розробка та реалізація методу автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна на основі порівняння спектрів сигналів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту. - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2005 р.

Дисертацію присвячено обґрунтуванню та розробці методу автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільних двигунів різних типів.

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано новий науковий підхід до визначення несправностей системи запалювання, який базується на встановленні взаємозв'язку між несправностями системи та спектральними характеристиками сигналу напруги первинного кола. Розроблена математична модель, параметри якої характеризують окремі діапазони частот спектральної щільності потужності сигналу напруги. Параметрами математичної моделі є матриці коефіцієнтів поліномів, які в числовій формі визначають технічний стан системи запалювання. Суть автоматизованого діагностування полягає у визначенні кореляційної залежності між параметрами сигналу напруги системи, яка досліджується, з параметрами, які містяться в інформаційній базі даних і характеризують типові несправності систем запалювання різних типів.

Ключові слова: система запалювання, технічний стан, діагностування, метод, автоматизація.

АННОТАЦИЯ

Кукурудзяк Ю.Ю. Разработка и реализация метода автоматизированного диагностирования системы зажигания автомобильного двигателя на основе сравнения спектров сигналов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - эксплуатация и ремонт средств транспорта. - Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2005 г.

Диссертация посвящена вопросу разработки и практической реализации автоматизированного метода диагностирования системы зажигания автомобильного двигателя.

В работе проведен анализ методов и средств диагностирования системы зажигания. Определены недостатки существующих методов, которые основываются на последовательном измерении диагностических параметров или визуальном анализе осциллограмм напряжения, считанных с помощью осциллографа или компьютерного диагностического стенда. Обоснован выбор методов, на базе современных информационных технологий и моделирования, которые могут создать предпосылки к автоматизации процесса диагностирования.

Предложена модель деления сигнала напряжения на отдельные реализации и усреднения их при постоянной и переменной частоте оборотов коленчатого вала. Для возможности усреднения реализаций искрообразования в каждом отдельном цилиндре применяется изменение частоты дискретизации и приведение количества выборок реализаций к одному базовому.

В роботе предложен новый подход к определению неисправностей системы зажигания, который основывается на использовании диагностической информации, содержащейся в спектральных характеристиках сигнала напряжения. В качестве диагностического параметра выбран сигнал напряжения первичной цепи системы зажигания.

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель, параметры которой характеризуют отдельные диапазоны частот спектральной плотности мощности сигнала напряжения. Показана взаимосвязь неисправностей в системе зажигания и изменений в определенных диапазонах частотного спектра. Параметры математической модели представляются в виде матрицы коэффициентов полиномов и по своей сути отображают техническое состояние системы зажигания - исправное или при наличии типовых неисправностей. Таким образом, создана информационная база данных, в которую занесены неисправности систем зажигания различных типов. Суть автоматизированного диагностирования состоит в сравнении параметров сигнала напряжения исследуемой системы с параметрами, которые есть в базе данных.

Информационная база данных создана с возможностью ее пополнения. Если при диагностировании другими методами определена неисправность, которой нет в базе данных, то для нее определяется параметр математической модели и заносится в информационную базу. Такой подход делает предложенную систему открытой и адаптивной к разным типам систем зажигания.

В результате исследований разработан пакет прикладных программ, который обеспечивает реализацию предложенного метода диагностирования в реальных условиях.

Метод автоматизированного диагностирования имеет ряд преимуществ перед существующими. Основное преимущество это возможность автоматизации и уменьшения количества элементарных операций. Время диагностирования, по сравнению с использованием компьютерных мотор-тестеров сокращено в 2-3 раза. Для реализации метода не нужно дорогостоящее оборудование.

Ключевые слова: Система зажигания, диагностика, спектральная плотность мощности, метод, сигнал напряжения, диагностический параметр.

ANNOTATION

Kukurudziak Y. Development and realisation of a vehicle engine ignition system automated diagnostics method on the basis of comparison of signal spectra. Manuscript.

The dissertation is provided to get a degree of a Candidate of Sciences in speciality 05.22.20 - Maintenance and Repairing of transport means. - Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2005.

The dissertation deals with research and development of an ignition system automated diagnostics method of a vehicle engines of various types.

As a result of theoretical and experimental research, a new scientific approach to define ignition system faults that is based on interconnection between system faults and spectrum characteristics of the voltage signal of a primary circle is proposed. A mathematical model whose parameters are characteristics of individual spectra ranges of spectrum density of voltage signal power.is developed. The parameters of mathematical model are matrixes of polynomial indexes that qualitatively determine the state of ignition system. The gist of automated diagnostics is to determine correlation bet...