Metody diagnozowania elementów układu zapłonowego

Transkrypt

1 RÓŻOWICZ Sebastian 1 Metody diagnozowania elementów układu zapłonowego WSTĘP Pomimo wielu zastosowań modeli matematycznych w diagnostyce, wciąż brakuje publikacji, dotyczących możliwości ich adoptowania do badań wyposażenia elektrycznego i elektronicznego pojazdu samochodowego. Dokonując przeglądu literatury dotyczącej diagnostyki samochodowej [1-6] można wysnuć wniosek, że w diagnostyce tej najczęściej stosowane są metody klasyczne (bezpośrednie) wykorzystujące na przykład amperomierz, woltomierz i specjalnie skonstruowane elektroniczne testery diagnostyczne. Warto również podkreślić, że wyposażenie elektryczne i elektroniczne samochodu składa się z wielu współpracujących ze sobą urządzeń połączonych w jedną całość (obwód), co w znacznej mierze zwiększa stopień trudności zadania diagnostycznego. Wiele z tych urządzeń posiada nieliniową charakterystykę pracy, dodatkowo informacja o budowie pojedynczych elementów nie jest pełna, ponieważ producenci samochodów strzegą opracowanych technologii przed konkurencją. W pracy, analizę układu zapłonowego samochodu przy użyciu modeli matematycznych realizowano dokonując opisu przy pomocy równań bilansu energetycznego poszczególnych elementów badanego układu zapłonowego. W oparciu o wiedzę literaturową i pomiary wykonane na obiekcie rzeczywistym opracowano model elektryczny obiektu diagnostycznego, który następnie wykorzystano do budowy modelu matematycznego całego układu. Analityczną metodę obliczeń parametrów elementów układu zapłonowego samochodu oparto na podstawie analizy publikacji ostatnich lat o tematyce modeli informacyjnych i matematycznych. Znaczący udział transportu samochodowego przyczynił się do zwiększenia tempa rozwoju przemysłu motoryzacyjnego. Znaczący wzrost liczby pojazdów samochodowych wymusił konieczność postępu w dziedzinach nauki o budowie samochodu, jego eksploatacji oraz diagnostyki. Samochody zbudowane są z następujących elementów i urządzeń [4,5,9]: silnika, układu zasilania, układu hamulcowego, układu jezdnego, układu kierowniczego, nadwozia, wyposażenia elektrycznego oraz wyposażenia dodatkowego. Układy i urządzania elektryczne samochodu w oparciu o [9,10] można podzielić na dwie grupy: urządzenia elektryczne i instalacje elektryczne. Do pierwszej grupy urządzeń elektrycznych zaliczamy maszyny i aparaty elektryczne, natomiast do drugiej grupy należą: sprzęt instalacyjny oraz sieć elektrycznego wyposażenia pojazdu. Podział wyposażenia elektrycznego samochodu można także dokonać z względu na występujące w nim obwody, traktowane jako całość. Na podstawie [9] można wydzielić następujące obwody: 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , s.rozowicz@tu.kielce.pl 1125

2 Rys. 1. Ogólny podział wyposażenia elektrycznego silnika samochodowego Instalacje elektryczne i wyposażenie elektroniczne w pojazdach samochodowych wchodzące w skład poszczególnych obwodów mają za zadanie wypełniać swoje funkcje według określonych parametrów. Wraz z postępem techniki i rozwojem elektrotechniki wyposażenie mechaniczne zostaje zastąpione elementami elektronicznymi. Jest to spowodowane nie tylko koniecznością optymalizacji pracy silnika w celu efektywniejszego wykorzystania energii, ale również podnoszeniem bezpieczeństwa i zwiększaniem komfortu jazdy. Ponadto ich zastosowanie ma na celu poprawę procesu spalania ze szczególnym uwzględnieniem ograniczenia toksyczności spalin wpływającym na zanieczyszczenie środowiska naturalnego. 1. METODY DIAGNOZOWANIA Udział elektroniki w samochodach ciągle wzrasta. W 1980 roku udział elektroniki we wszystkich układach samochodowych wynosił zaledwie 0,5%, od lat 90-tych elektronika stawała się coraz tańsza i można ją było stosować w pojazdach niższych klas. Początkowo ze względu na koszty układy elektroniczne były montowane tylko w samochodach wyższych klas. Najistotniejszym z punktu widzenia niezawodności, parametrów eksploatacyjnych, warunków ekonomicznych i ekologicznych jest obwód układu zapłonowego. Na podstawie literatury [8,10,11] można wysnuć wniosek, że na przełomie ostatnich 30 lat diagnostyka stała się dynamicznie rozwijającą dziedziną nauki. Problem diagnostyki jest jednym z najważniejszych zagadnień obsługowych. dobór odpowiednich parametrów poszczególnych elementów badanie i klasyfikacja rozwijających się uszkodzeń; opracowanie metod do badania; decyzja diagnostyczna o stanie obiektu. Dokonany w pracy, na podstawie literatury, przegląd metod diagnostycznych pokazuje, jak wiele różnego rodzaju złożonych układów można poddać analizie. Ważnym czynnikiem przy wyborze metody diagnozowania jest skomplikowana budowa obiektu rzeczywistego. Budowa układu zapłonowego jest bardzo złożoną strukturą zawierającą wiele zmiennych zależnych wzajemnie, co powoduje, iż proponowany model jest trudny do analizy. System diagnostyczny zintegrowany z pojazdem będzie realizował podstawowe zadania diagnostyczne. Szczegółowa diagnostyka obiektu odbywać się będzie w stacjach diagnostycznych z udziałem wykwalifikowanego personelu i przy wykorzystaniu dodatkowej grupy urządzeń diagnostycznych. W oparciu o literaturę [11] warto zauważyć, że przedstawione w pracy metody nie są w ogóle, lub są bardzo rzadko stosowane w diagnostyce pojazdów samochodowych podczas eksploatacji. 1126

3 Użytkownik samochodu w momencie pojawienia się uszkodzenia oddaje go do stacji serwisowej, gdzie prowadzona jest diagnostyka przy użyciu klasycznych metod. W oparciu o [1,3,5] metody i techniki detekcji i lokalizacji uszkodzeń w obiektach technicznych można podzielić na trzy zasadnicze grupy: klasyczne metody diagnozowania, metody diagnozowania przy pomocy sieci neuronowych i zbiorów rozmytych, metody diagnozowania przy pomocy modeli matematycznych. Rys. 2. Podział metod diagnozowania Układy elektroniczne w pojazdach powinny być cyklicznie sprawdzane, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzeń. W tym celu stosujemy jedną z poniższych metod diagnozowania. Wybór metody zależy zarówno od obiektu diagnozowania jak i metody rozwiązywania problemu diagnostyki. Diagnostyka jest to dynamicznie rozwijający się dział nauki o rozpoznawaniu stanów technicznych urządzeń. Uszkodzenie lub nadmierne zużycie podzespołów urządzenia może być przyczyną ich niesprawności lub obniżenia jakości pracy. Ma to bezpośredni wpływ na wzrost kosztów eksploatacji wynikających nie tylko z naprawy urządzenia, ale również z jego gorszej wydajności, lub niekorzystnego wpływu na inne systemy z nim współpracujące. Aby zapobiec takim sytuacjom realizuje się prace związane z diagnostyką techniczną. 2. KLASYCZNA METODA DIAGNOZOWANIA Najstarszą, a zarazem najprostszą metodą diagnozowania obiektów technicznych jest metoda klasyczna, polegająca na sprawdzeniu, czy zespół wykonuje swoje funkcje według odpowiednich warunków technicznych, lub poprzez pomiar odpowiednich wielkości elektrycznych. Kontrola działania zespołów elektrycznych w pojeździe, która polega na sprawdzeniu, czy zespół wykonuje swoje funkcje (regulacja napięcia, wskazanie wielkości kontrolowanej, świecenie świateł z odpowiednią wartością światłości i natężenia oświetlenia) według odpowiednich warunków technicznych, lub poprzez pomiar odpowiednich wielkości elektrycznych (natężenie prądu, napięcie prądu, rezystancję obwodu). Możemy wyróżnić dwa rodzaje diagnostyki metodą klasyczną: metody diagnostyczne pozwalające na kontrolę stanu i lokalizację uszkodzeń zespołów elektrycznych po wymontowaniu ich z pojazdu; 1127

4 metody diagnostyczne pozwalające na kontrolę stanu i lokalizację uszkodzeń zespołów elektrycznych bez konieczności wymontowywania ich z pojazdu. Diagnostyka metodą klasyczną jest rozwiązaniem bardzo prostym, ale niestety wiąże się z wysokimi kosztami realizacji. Dlatego wprowadzanie coraz to nowszych i droższych technologii produkcji spowodowało rozpoczęcie poszukiwań metod diagnostycznych, które pozwoliłyby na uniknięcie wielu kłopotów i kosztów związanych z diagnostyką klasyczną. W lat 70-tych rozpoczyna się rozwój metod analitycznych, które posiadają własności precyzyjnej detekcji i lokalizacji uszkodzeń, ale są znacznie tańsze. Przedstawione obszary badania stanu technicznego wymagają specjalistycznego oprzyrządowania w urządzenia diagnostyczne. Intensywny rozwój metod, algorytmów i środków diagnostycznych, opierających się na pomiarze wielkości elektrycznych spowodował, że coraz częściej spotyka się urządzenia diagnostyczne, które w sposób kompleksowy diagnozują poszczególne obwody instalacji elektrycznej pojazdu. Są to najczęściej wielofunkcyjne urządzenia stacjonarne, charakteryzujące się modułową budową i dużymi możliwościami pomiarowymi. Pozwala to w krótkim czasie na kontrolę stanu i lokalizację uszkodzeń poszczególnych obwodów elektrycznych. Metody klasyczne realizowane są w pracowniach i laboratoriach, w których diagnoza jest opracowana na podstawie porównania wartości mierzonej na obiekcie rzeczywistym, z wartością nominalną lub poprzez wizualną ocenę jego stanu. Diagnostyka samochodów osobowych wykonywana jest w warsztatach i stacjach serwisowych. Coraz częściej też spotyka się kompleksowe pokładowe urządzenia diagnostyczne, sterowane mikroprocesorem, które oprócz funkcji diagnostycznych sterują pracą ważniejszych układów i zespołów pojazdu (sterowanie i diagnozowanie układu elektronicznego wtrysku paliwa, sterowanie i diagnozowanie elektronicznym układem zapłonowym). 3. DIAGNOSTYKA PRZY POMOCY SIECI NEURONOWYCH I ZBIORÓW ROZMYTYCH Do drugiej grupy (metody sztucznej inteligencji) zaliczamy: systemy ekspertowe, sztuczne sieci neuronowe i sieci rozmyto-neuronowe. Zadanie diagnostyki składa się z następujących elementów: detekcji, lokalizacji i identyfikacji uszkodzenia. Diagnostyka w złożonych układach technicznych jest trudna do rozwiązania z uwagi na nieliniowe i często nieznane zależności pomiędzy dowolnymi uszkodzeniami, a wybranymi sygnałami. Sztuczna inteligencja (z ang. Artificial Inteligence) jest terminem opisującym postęp w dziedzinie komputerów, które dzięki wiedzy, wnioskowaniu i samouczeniu powodują, że urządzania i maszyny w sposób samodzielny potrafią podejmować decyzje za człowieka. Sztuczne sieci neuronowe są to nowoczesne systemy obliczeniowe, które przetwarzając informację numeryczną, wzorują się na zjawiskach zachodzących w mózgu człowieka. Pierwszym matematycznym przybliżeniem struktury neuronu biologicznego był opublikowany w 1943 roku model McCullocha i Pittsa [8]. Rys. 3. Model neuronu McCullocha i Pittsa 1128

5 Metody sztucznej inteligencji znajdują coraz większe zastosowanie w rozwiązywaniu problemów diagnostyki technicznej obiektów. Metody te nie wymagają znajomości modeli matematycznych diagnozowanych obiektów, co często stanowi poważną trudność i ograniczenie przy stosowaniu metod analitycznych[8,9]. Schemat komputerowego inteligentnego systemu diagnozowania przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Schemat blokowy systemu diagnostycznego, F- blok diagnozowania, Un sygnały wejściowe, Yn sygnały wyjściowe, F1...Fn typy defektów, Fi najbardziej prawdopodobny defekt 4. DIAGNOSTYKA PRZY POMOCY MODELI MATEMATYCZNYCH Alternatywnym rozwiązaniem może być zastosowanie modeli matematycznych opartych na technikach budowy schematów zastępczych. Uwzględniając stan współczesnej techniki komputerowej bardzo prosto jest prowadzić eksperymenty na modelach matematycznych, które w pełni opisują obiekt fizyczny z punktu widzenia symptomowych diagnostycznych modeli matematycznych. W tym przypadku problem diagnostyki technicznej sprowadza się do realizacji następujących bloków: modelu fizycznego z określonymi sygnałami wejściowymi i wstępnego modelu matematycznego z nieznanymi parametrami; identyfikacja nieznanych parametrów wstępnego modelu matematycznego; przeprowadzenie symulacyjnych eksperymentów za pomocą zbudowanego modelu matematycznego z uwzględnieniem możliwości uszkodzeń obiektów; diagnostyka, w którą wchodzą procedury praktycznej weryfikacji otrzymanych wyników symulacji komputerowych; końcowe procedury diagnostyczne sprawdzenie zgodności z odpowiednimi normami. Najłatwiej model obiektu można przedstawić w postaci równań matematycznych tworząc w ten sposób model matematyczny obiektu, w którym cechy i zjawiska zapisane są w postaci równań różniczkowych lub różnicowych. W diagnostyce stosuje się model obiektu, który jest budowany specjalnie pod kątem wykorzystania go do celów lokalizacji uszkodzeń oraz odpowiedniego doboru parametrów poszczególnych elementów układu. Zamierzeniem projektanta jest wówczas takie opisanie obiektu, które umożliwi jak najlepsze przedstawienie parametrów określających jego stan. Na rysunku 5 przedstawiono schematycznie model obiektu diagnozowania. 1129

6 Rys. 5. Model obiektu diagnozowania Sygnały charakteryzujące obiekt przedstawione na rysunku 5., umownie można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej z nich zalicza się sygnały rejestrowane w czasie pracy obiektu przy pomocy czujników i układów pomiarowych. Należą do nich sygnały wejściowe oraz sygnały wyjściowe. Drugą grupę stanowią sygnały niemierzalne, czyli występujące zakłócenia, uszkodzenia oraz awarie. Każdy obiekt fizyczny posiada odpowiednik w postaci modelu matematycznego. Modelem matematycznym obiektu mechanicznego jest najczęściej układ równań różniczkowych, różnicowych lub algebraicznych, które opierają się na bilansie energetycznym, materiałowym lub równań procesów fizykochemicznych. Prace nad udoskonaleniem układu zapłonowego mają na celu poprawę parametrów eksploatacyjnych pojazdów, ograniczenie zużycia paliwa oraz zmniejszenie toksyczności spalin. Przy pomocy modeli matematycznych można nie tylko zdiagnozować usterkę w danym układzie elektrycznym, ale także różnie dobierając odpowiednie parametry układu możemy dostosowywać układ optymalnie. Postęp techniczny jest tak szybki w ostatnich latach, że niektórych badań nie można już wykonać metodami klasycznymi bez użycia specjalistycznych urządzeń testujących i diagnostycznych. W dzisiejszych czasach niemożliwa jest już naprawa samochodu przy pomocy kluczy i ucha mechanika, niezbędny jest już sprzęt diagnostyczny na bazie programów komputerowych, który określa usterkę i w większości przypadków pozwala ją usunąć. Zarówno postęp technologii jak i wymogi środowiska naturalnego wymuszają na nas, aby tak modyfikować układy elektroniki sterującej pracą silnika dla największej ekonomiki i ekologii. Metoda symulacji komputerowej na bazie modelu matematycznego badań wartości energii wyładowania iskrowego pozwoli na skrócenie czasochłonnych i kosztownych badań laboratoryjnych oraz określi podstawowe parametry konstrukcyjne układu zapłonowego. WNIOSKI Opracowanie metod diagnostycznych, jak również ewentualna naprawa w przypadku detekcji uszkodzenia nie wynika tylko z analizy samych uszkodzeń i symptomów, ale ważnym kryterium przy wyborze rozwiązania są koszty. Często okazuje się, że naprawa uszkodzenia może polegać na wymianie podzespołu, którego koszt jest znacznie wyższy, niż koszt całego urządzenia. Wymiana elementów układów elektronicznych i elektrycznych często nie jest możliwa bez użycia drogich specjalistycznych urządzeń i aparatury, które gwarantuje poprawną naprawę. W niektórych gałęziach przemysłu postęp jest tak wielki, że przy podejmowaniu decyzji o wymianie podzespołu lub całego urządzenia brane są także korzyści płynące z zastosowania obiektów o lepszych parametrach. Na przykład w elektronice jest to miniaturyzacja i możliwości obliczeniowe, w mechanice są to moc i energia wyładowania iskrowego w układzie zapłonowym. Dokładność stawianej diagnozy zależy od odpowiedniego doboru poszczególnych parametrów układu w procesie diagnostycznym. W przypadku, gdy ograniczenia jakościowe wynikają ze skomplikowanej budowy obiektu, na przykład dokonujemy pomiarów pośrednich, a postawienie diagnozy i tak wymaga dalszych analiz lub eksperymentów, wówczas złożoność systemu diagnostycznego jest bezpośrednią i uzasadnioną przyczyną wysokich kosztów. Dlatego najlepszą 1130

7 metodą jest znalezienie rozwiązania, w którym przy założonej i wysokiej dokładności, diagnozowanie odbywa się przy minimalnych nakładach, w krótkim czasie, co wpływa na niskie koszty. Streszczenie W pracy przedstawiono krótką charakterystykę metod diagnozowania bateryjnych układów zapłonowych współpracujących z silnikami spalinowymi. Samochody zbudowane są w oparciu o wiele mechanizmów i układów ze sobą współpracujących. Poszczególne obwody znajdujące się w pojeździe samochodowym są mniej lub bardziej złożone, a więc stopień trudności analizy i diagnostyki ściśle zależy od struktury danego obwodu. W pracy scharakteryzowano elektryczne i elektroniczne układy wyposażenia pojazdu mechanicznego jako przykład obiektu diagnostycznego i w oparciu o literaturę przedstawiono różne rodzaje metod diagnozowania tych układów. Methods of diagnosing vehicle ignition systems Abstract Description of method of engine battery ignition systems diagnosing is presented in the article. Nowadays produced vehicles are complicated and constructed using multiple cooperating systems. Different levels of complication of systems used in production influences the degree of analysis and diagnostic used systems difficulty. Electrical and electronics vehicle equipment is described as example of diagnosed elements. Various types of vehicle equipment systems diagnosing described in literature is presented in the article. BIBLIOGRAFIA 1. Będkowski.: Elementy diagnostyki technicznej, WAT, Warszawa Gad S., Łaskawski M., Słoń G., Jastriebow A. I., Zawadzki A.: Symptom models of diagnostic of motor-car electrical equipment, IFAC Symposium, Advances in Automotive Control, University of Salerno, Italy Instalacje Elektryczne Samochodów, Auto Elektro cz. I - Opel, Warszawa 2007r. 4. Instalacje Elektryczne Samochodów, Auto Elektro cz. II - Opel, Warszawa 2007r. 5. Instalacje Elektryczne Samochodów, Auto Elektro nr 77, Warszawa 2007r 6. Jankowski K.: Laboratorium elektrotechniki samochodowej, Zakład Poligraficzny Politechniki Radomskiej, Radom Jastriebow A.I., Gad S., Słoń G., Łaskawski M.: Inteligentne metody diagnozowania uszkodzeń elektrycznego wyposażenia samochodu, Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej, Elektryka 43, str , Kielce Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych, WKŁ Herner A.: Elektronika w samochodzie, WKŁ, Warszawa Kubiak P., Zalewski M.: Pracownia diagnostyki pojazdów samochodowych WKŁ Niziński S.: Eksploatacja obiektów technicznych, ITeE, Radom