CC BY
25Формирование гибких технологий диагностирования и ремонта системы питания ГБА
В.А. Зенченко,
профессор МАДИ, к.т.н., Ю.Н. Фролов, профессор МАДИ, к.т.н., Ю.В. Панов, профессор МАДИ, к.т.н., А.В. Ширяев, аспирант МАДИ
В статье представлен один из подходов к формированию гибких технологий диагностирования и восстановления работоспособности системы питания газобаллонных автомобилей. Показана математическая модель и пример ее использования при составлении оптимальных планов поиска неисправностей для автомобилей, имеющих разный накопленный пробег на момент диагностирования.
Ключевые слова: газобаллонные автомобили, газовые системы питания, диагностика, надежность, пропан-бутан, электронная система управления.
The formation of flexible technologies of diagnostics and repairing the fuel supply system of LPG vehicles
V.A. Zenchenko, Y.N. Frolov, Y.V. Panov, A.V. Shiryaev
The article describes one of the approaches to the formation of flexible technologies of diagnostics and repairing the fuel supply system of LPG vehicles. It is also presents the received mathematical model and it is applying in the composition of optimal plan searching the faults for cars with different cumulative run at the diagnostics moment.
Keywords: gas-bottle automobiles alternate combustible, gas supply systems, diagnostics, reliability, LPG, an electronic control system.
В мировой и отечественной практике в последнее десятилетие наблюдается интенсивный рост использования газового топлива на автомобильном транспорте. В 2010 г. мировой парк газобаллонных автомобилей (ГБА), работающих на пропан-бутане и метане, составил 17,4 и 11,3 млн соответственно и продолжает расти [1]. Данная тенденция обусловлена возросшими требованиями к автотранспортным средствам (АТС) по снижению затрат на их эксплуатацию, ужесточению экологических норм к токсичности отработавших газов (ОГ) и наличию развитой инфраструктуры заправки автомобилей газовым топливом.
Вместе с тем нормативно-техническая документация (НТД) по эксплуатации и обслуживанию ГБА [2], разработанная ранее, не соответствует сегодняшнему уровню развития автомобилей, оснащаемых электронными системами управления двигателем (ЭСУД). Для эффективной эксплуатации данных автомобилей требуется разработка гибких технологий диагностирования и ремонта газовых систем питания (ГСП) с электронным управлением, учитывающих старение топливной аппаратуры с увеличением накопленного пробега.
На кафедре эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по формированию гибких технологий диагностирования и ремонта системы питания газобаллонных автомобилей. Разработанные технологии учитывают пробег автомобилей с начала эксплуатации и в зависимости от него видоизменяются как по перечню работ, так и по порядку их выполнения.
Исследования выполнены на автомобилях ВАЗ 10-го модельного ряда с ЭСУД Bosch 1.5.4N, оборудованных газовой системой с электронным блоком управления (ЭБУ) A.E.B. 175 Leonardo (рис. 1), и включают четыре этапа (рис. 2).
В рамках исследований на первом этапе получены следующие оценки токсичности ОГ:
• для условий эксплуатации по методике ГОСТ Р 17.2.02.06-1999;
• с использованием ненагруженных барабанов динамометрического стенда по методике проф. А.П. Болдина;
• на режимах установившегося движения на нагруженных барабанах;
• с использованием ездовых циклов (ГОСТ Р 41.83-99);
• при влиянии наиболее часто встречающихся в эксплуатации неисправностей элементов систем питания и управления двигателем ГБА.
Результаты показали, что в реальных условиях эксплуатации ГБА токсичность ОГ может быть выше допустимых норм.
Например, автомобиль ВАЗ 21102, проехавший 20 тыс. км, при поступлении на пост диагностирования имеет повышенное содержание оксидов углерода до 5,8 %, а углеводородов до 512 млн-1 (рис. 3). Контрольно-диагностические и ремонтные работы систем питания и управления двигателем позволяют привести
12 3 4 5 6 7 в 9 10
Рис. 1. Общая схема газовой системы питания с ЭБУ Leonardo и ЭСУД Bosch 1.5.4N: 1 - электронный блок управления Bosch; 2 - диагностический разъем ЭБУ Bosch; 3 - модуль зажигания; 4 - датчик положения дроссельной заслонки; 5 - электронный блок управления Leonardo; 6 - эмулятор форсунок; 7 - электрический дозатор газа; 8 - переключатель вида топлива; 9 - диагностический разъем ЭБУ Leonardo; 10 - электропроводка газовой системы питания; 11 - редуктор-испаритель; 12 - электромагнитный клапан газа; 13 - баллон с арматурой; 14 - датчик массового расхода воздуха; 15 - обратный клапан; 16 - смеситель; 17 - штатная электропроводка; 18 - датчик кислорода
показатели токсичности к допустимым нормам. Замена загрязненного воздушного фильтра снизила выбросы СО на 30 %, а регулировка редуктора - на 95 %.
Первый этап
Второй этап
Третий этап
Четвертый этап
Разработка математических моделей формирования планов поиска и устранения неисправностей
Рис. 2. Этапы теоретических и экспериментальных исследований
Результаты испытания ВАЗ 21113 на нагруженных барабанах динамометрического стенда позволили определить массовое содержание вредных веществ в ОГ в завиимости от скорости движения (рис. 4). При этом наибольшее количество выбросов СО и СН наблюдается при движении автомобиля со скоростью 15 км/ч на первой передаче.
Второй этап исследований предусматривал получение оценочных показателей надежности элементов ГСП в режиме ускоренных испытаний и затрат (абсолютные и удельные) на поддержание работоспособности ГСП и ЭСУД ГБА.
Число объектов, порядок проведения испытаний и критерии их прекращения базировались на использовании цензурированных планов испытаний [NUr], [NUT], [NRr], [NRT] и [NUz] [3] (таблица).
Рис. 3. Содержание СО (а) и СН (б) в ОГ ВАЗ 21102 после нейтрализатора при испытании по ГОСТ Р 17.2.02.06-99 на СУГ после пробега 20 тыс. км при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальной (лмин) и повышенной (ппов) частотах вращения коленчатого вала: 1 - в момент обращения на пост; 2 - после замены воздушного фильтра; 3 - после замены воздушного фильтра и регулировки ГСП; 4 - норматив для двигателей с < 3,0
Показатели надежности элементов ГСП с ЭБУ Leonardo и ЭСУД Bosch 1.5.4N по отказам и неисправностям для ГБА ВАЗ 10-го модельного ряда
Элемент / вид работы Код работы 1 Средняя наработка L, тыс.км Коэффициент вариации v (L) Гамма-процентная наработка Ly, тыс. км, при у = 0,90/у = 0,95 Ведущая функция потока отказов на гарантийном пробеге, Qy (Lr) Удельные затраты на обслуживание и ремонт Sy , руб./тыс.км уд 1
Воздушный фильтр / замена 1 17,95 0,37 9,45 / 7,06 2,911 7,763
Винт холостого хода редуктора / регулировка 2 17,03 0,495 6,66 / 4,75 3,146 18,35
Фильтр клапана холостого хода редуктора / очистка 3 35,57 0,303 21,9 / 17,91 1,233 1,849
Фильтр электромагнитного клапана газа / замена 4 28,34 0,189 21,49 / 19,57 1,635 15,533
Мембраны и клапаны редуктора / проверка, замена 5 35,61 0,193 27,02 / 24,34 1,204 92,472
Электронный дозатор газа / проверка, замена 6 130,58 0,98 15,18 / 7,6 0,440 15,389
Датчик кислорода / проверка, замена 7 68,39 0,237 47,68 / 41,83 0,405 8,784
Датчик положения дроссельной заслонки / проверка, замена 8 24,3 1,0 2,62 / 1,28 2,469 37,037
Датчик массового расхода воздуха / проверка, замена 9 50,95 0,98 5,92 / 2,96 1,158 53,067
Нейтрализатор ОГ / проверка, замена 10 73,99 0,98 8,6 / 4,3 0,791 47,467
Винт клапана второй ступени редуктора/ регулировка 11 22,524 0,38 10,3 / 7,7 2,236 13,044
Клапаны ГРМ / замена, притирка, регулировка 12 91,27 0,36 44,2 / 33,78 0,222 20,886
Модуль зажигания / проверка, замена 13 27 0,237 18,78 / 16,47 1,750 49,592
Первый шаг
Второй шаг
Третий шаг
РС(Ц р/и
ф *
Р/АЦ Р/ЛЦ
®ву Я/
Рис. 5. Схема математической модели формирования оптимальных планов поиска и устранения неисправностей (основанная на анализе показателей надежности элементов ГСП и ЭСУД ГБА, методах теории информации, учете затрат на их устранение), а также восстановления работоспособности ГБА: у - код работы по элементам ГСП и ЭСУД; I - индекс однородного класса (группа) кодов работ по факторам ¿уд и й (А!); А! - межсервисный интервал пробега У У
Полученные результаты стали основой для разработки на третьем этапе математической модели формирования планов (рис. 5) поиска и устранения неисправностей элементов ГСП и ЭСУД ГБА.
Исходной информацией для первого шага реализации данной модели являются следующие показатели:
{(!) - вероятность возникновения неисправностей и отказов по всей совокупности исследуемых элементов ГСП и ЭСУД на пробеге !;
Гс(М) - вероятность возникновения неисправностей и отказов по всей совокупности исследуемых элементов ГСП и ЭСУД на межсервисном интервале пробега Д!;
{(!) - вероятность возникновения неисправностей и отказов по отдельным элементам ГСП и ЭСУД на пробеге !;
/А!) - вероятность возникновения неисправностей и отказов по отдельным элементам ГСП и ЭСУД на межсервисном интервале пробега Д!;
Рис. 6. Классификация кодов работ {у } т1 на основе нормированных затрат ¿уд е (5уд , п в 'уд . ) и диагностических ценностей й (А!)
□ (I.) - значения ведущих функций потока отказов на гарантийном пробеге !г;
Р. (А!) - вероятность безотказной работы элементов ГСП и ЭСУД с /-ми кодами работ на интервале пробега ДО;
5уд - удельные затраты на обслуживание и ремонт эле)
ментов ГСП и ЭСУД с /-м кодом работ;
5. - общие затраты на обслуживание и ремонт элементов ГСП и ЭСУД с/-м кодом работ.
Ведущими показателями данной модели на втором шаге являются диагностическая ценность обследования й.(А1) и удельные затраты на обслуживание и ремонт 5 . При этом диагностическая ценность обследования й. (А!) представляет собой информационную меру признака [4], характеризующую состояние отказа или работоспособности элементов ГСП и определяется уравнением вида:
Оу(АЦ = ЧГу(АЦ,од2^ + Ру(АЦ1од2^]. (1)
Еще одним параметром модели, определяемым на втором шаге, является интегральная оценка У.(А!) одновременного учета диагностической ценности обследования и удельных затрат:
Г1(АЬ) = .
ГУ(А£.) = Й.(АЬ)Б,
уд,
- для средних удельных затрат;
- для верхних толерантных границ удельных затрат, определенных для вероятности а > 0,9.
Далее для полученных значений 0.(А1) и 5уд/ рассчитываются нормированные отклонения Д[й (А!)] и Д5уд.) [5].
На третьем шаге модели выполняется разделение кодов работ / на четыре класса с целью формирования однородных групп через зависимости Д. (5уд /) = ф {Д.[0. (А!)]} и представления результатов в двухмерно м пространстве (рис. 6).
Порядок диагностирования классов определяется с учетом математических ожиданий М[У(АЬ)] = У.(АО) интегральных показателей У (А!) работ, входящих в ¡-е классы, и представлен на рис. 6 оранжевыми стрелками. Сначала выполняются работы, объединенные во 2-й класс {б2}, далее работы 1-го класса {б1}, потом 4-го {б4} и в последнюю очередь работы 3-го класса {б3}.
Приоритетность выполнения работ внутри сформированных классов для е {У..(А!)} определяется значениями У/(А!) в порядке их убывания от максимального к минимальному г™(Д£,)->у(™л и показана красными стрелками для 1-го класса. Первой работой будет проверка датчика массового расхода воздуха /9, потом проверка датчика положения дроссельной заслонки /8 и в заключение проверка нейтрализатора отработавших
газов V
Реализация разработанной математической модели позволила создать на четвертом этапе гибкие технологии диагностирования и ремонта системы питания ГБА, изменяющиеся в зависимости от пробега автомобиля с начала эксплуатации.
Фрагменты сформированных технологий, содержащие оптимальный порядок выполнения диагностических работ для ГБА, находящихся на разных интервалах межсервисного пробега, и их использование на практике представлены на рис. 7, 8.
Пример 1
Если поступивший на диагностику ГБА имеет пробег от 20 до 30 тыс. км (см. рис. 7), то в первую очередь необходимо оценить техническое состояние мембран и клапанов редуктора, а также работоспособность модуля зажигания (2-й класс, работы / и _/'13 ). При обнаружении неисправности элемента дальнейший поиск прекращают, а элемент восстанавливают.
Во вторую очередь проверяют элементы, вошедшие в 1-й класс: датчик массового расхода воздуха / , датчик положения дроссельной заслонки / и нейтрализатор ОГ/10 .
В третью очередь выполняют работы 4-го класса: оценивают состояние фильтра электромагнитного клапана газа /4 , регулировочных винтов холостого хода / и клапана второй ступени редуктора /11 , состояние воздушного фильтра / и фильтрующего элемента клапана холостого хода редуктора /3 .
И в заключение проверяют техническое состояние элементов 3-го класса: электронного дозатора газа / , клапанов газораспределительного механизма /12 , датчика кислорода \1 , имеющих самые низкие значения интегральной оценки У...
Рис. 7. Фрагмент технологии диагностирования ГБА с пробегом ¿=20.. .30 тыс. км
Пример 2
Газобаллонный автомобиль с пробегом от 40 до 50 тыс. км будет проходить диагностику по плану, представленному на рис. 8. В этом случае в первую очередь необходимо оценить техническое состояние мембран и клапанов редуктора / , работоспособность ДМРВ / , состояние нейтрализатора /10 и ДПДЗ /=8 (2-й класс, работы
4 5 , 4 9 , 410 , -/8).
На втором шаге проверяют элементы, вошедшие в 4-й класс: датчик кислорода /7 и состояние фильтра клапана холостого хода редуктора / . На третьем - элементы 3-го класса в следующем порядке: /12 , / , /11 , / , / , / . И в последнюю очередь работы 1-го класса - работоспособность модуля зажигания /13 .
Представленные примеры показывают, как меняется порядок диагностирования элементов ГСП и ЭСУД газобаллонных автомобилей, имеющих разный пробег с начала эксплуатации на момент диагностирования.
Таким образом, выполненные исследования дали возможность разработать и реализовать подход к формированию гибких технологий диагностирования и восстановления работоспособности технических систем АТС на примере ЭСУД и ГСП ГБА.
Разработанные технологии позволяют минимизировать трудоемкость диагностирования за счет рациональной последовательности выполнения диагностических операций при ремонте автомобилей, имеющих различные пробеги с начала эксплуатации.
Используемые в работе подходы являются универсальными и могут быть применены для формирования гибких технологий диагностирования и восстановления работоспособности ГБА, оснащенных газовыми системами питания нового поколения.
Литература
1. Пронин Е.Н. Биогазовые и водородные технологии как инструмент повышения эффективности транспорта // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 5. -С. 30-33.
2. РД 03112194-1094-03 «Руководство по организации эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе». - М.: ФГУП НИИАТ, 2003.
- 105 с.
3. Кузнецов Е.С., Низов М.А., Зенченко В.А. и др.
Методика определения показателей надежности автомобилей при проведении сравнительных эксплуатационных испытаний в условиях международных перевозок. - М.: АСМАП, 2002. - 200 с.
4. Биргер И.А. Техническая диагностика / И.А. Биргер.
- М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.
5. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и дополн. / Е.С. Кузнецов, А.П. Болдин, В.М. Власов и др. - М.: Наука, 2001. - 535 с.
