Анализатор неработоспособной системы бензинового ДВС, топливовоздушная смесь которого характеризуется как богатая, и способ его применения Российский патент 2022 года по МПК G01M15/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемые анализатор неработоспособной системы Analyzer Faulty System (AFS, англ.) бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), топливовоздушная смесь (ТВС) которого характеризуется как богатая (коэффициент избытка воздуха λ<1; BOSCH. Автомобильный справочник. Пер. с англ. ООО «СтарСПб» - 3-е изд., перераб. и доп.- М: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2012, с. 374), и способ его применения согласно классу F02B 1/02 Международной патентной классификации МПК-2021 относятся к области контроля и технической диагностики автомобильных ДВС с принудительным зажиганием, оснащенных системами впрыска бензина (СВБ).

Несанкционированно богатая смесь снижает характеристики ДВС, увеличивает расход топлива и содержание в выбросах токсичных продуктов сгорания. Это требует эффективных мер для достижения технического результата диагностики ДВС, заключающегося в быстром и достоверном техническом диагнозе (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения, табл. 1, п. 9), основанном на анализе диагностических характеристик смеси, включающих качественные (признаки) и количественные (параметры) характеристики. К диагностическим признакам богатой смеси относятся черный цвет, запах бензина, твердые частицы (ТЧ) углерода (сажи) и незначительное количество газообразной и жидкой фракций водяных паров в отработавших газах (ОГ), черное бархатистое и глянцевое с запахом бензина покрытие электродов и изоляторов электородов свечей зажигания, значительный расход топлива. Значения контролируемых диагностических параметров (BOSCH. Автомобильный справочник, с. 496) (ГОСТ Ρ 7.0.5-2008. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления. П.п. 8.1, 8.2) богатой смеси отличаются повышенной концентрацией оксида углерода СО, несгоревших углеводородов С_xН_y, углерода С, заниженной концентрацией двуоксида углерода СО₂, оксидов азота ΝΟ_x и кислорода О₂; кроме того, высоким абсолютным значением отрицательного коэффициента топливного баланса Long Fuel Trim (LFT; URL: https://alflash.com.ua/Learn/ft.pdf), также именуемого коэффициентом накопленной коррекции топливоподачи (URL: https://scanmatik. ru/downloads/Scanmatik2.pdf) или корректирующим коэффициентом самообучения (URL: https://docplayer.com/26092801-M-step-mpi-sistema-mnogotochechnogo-vpryskivaniya-step-ii-mpi.html, с. 2-18).

Особенность ДВС как объекта диагностики (ОД) такова, что различные неработоспособные системы зачастую характеризуется одними и теми же диагностическими признаками, значениями параметров и симптомами (субъективными ощущениями характеристик ОД, описанными его пользователем). По этой причине алгоритмы диагностики ДВС имеют большое число разветвлений, уводящих к разным системам и их компонентам (узлам и деталям), и требуют значительного времени. Поэтому вновь разрабатываемые средства и способы диагностики для достижения технического результата должны с первых шагов алгоритма обеспечивать анализ (разделение) ОД, способный из всего многообразия разветвлений вычленить то, которое выводит на неработоспособную систему.

Стереотип алгоритма диагностики при наличии диагностических признаков, значений параметров и симптомов богатой смеси таков, что они воспринимаются как указывающие на дефект такой громоздкой системы, как СВБ, в результате чего на диагностику СВБ необоснованно затрачивается значительное время, в то время как на самом деле они практически в равной степени присущи еще двум системам ДВС: газораспределительному механизму (ГРМ) силового агрегата ДВС и выпускной системе.

ГРМ содержит по одному или несколько впускных и выпускных клапанов на цилиндр (далее в тексте для простоты изложения под словами «впускной/выпускной клапан» подразумевается также множественное число клапанов). ОД для изобретения это перекрытие клапанов, т.е. область фаз газораспределения в рабочем цикле (РЦ) ДВС, когда впускной и выпускной клапаны цилиндра одновременно открыты, начиная с фазы 10 открытия впускного клапана в конце такта выпуска и заканчивая фазой ЕС закрытия выпускного клапана в начале такта впуска (BOSCH. Автомобильный справочник, с. 414, рис. 11). Перекрытие клапанов важный фактор газообмена: оно обеспечивает окончательную очистку цилиндра свежим зарядом смеси, который выталкивает в выпускную систему продукты сгорания предыдущего РЦ объемом V_h/(ε-1) из камеры сгорания, недоступной для их выталкивания поршнем (V_h - рабочий объем цилиндра; ε - степень сжатия).

Нарушение фаз перекрытия уменьшает время и качество очистки цилиндра; часть ТЧ и внутренних остаточных ОГ (BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями. Пер. с нем. С40. 1-е русское изд. - М.: ООО «КЖИ «За рулем», 2005, с. 36) остается в цилиндре и на следующем РЦ занимает в цилиндре некоторый объем (далее в тексте для простоты изложения под «ОГ» подразумеваются «ТЧ и внутренние ОГ»). Остаточные ОГ накапливаются в цилиндре от цикла к циклу, и рост их объема прекращается тогда, когда вновь образовавшийся цикловой объем ОГ становится равным удаленному из цилиндра цикловому объему ОГ. Остаточные ОГ фактически уменьшают рабочий объем цилиндра, изменяют концентрацию ОГ, участвуя в химических реакциях, и постепенно заполняют выпускную систему.

Схожий процесс накопления ОГ в выпускной системе происходит и при оптимальном перекрытии клапанов и стехиометрической (λ=1) смеси, но увеличенном сопротивлении выпускной системы, отличаясь тем, что ОГ вначале накапливаются не в цилиндрах, а в месте нарушения проходимости (засора) выпускной системы, обусловленного частичным или полным разрушением таких ее компонентов, как тело каталитического нейтрализатора (КН) отработавших газов, резонатора или глушителя, и, постепенно наполняя выпускную систему, достигают цилиндров и заполняют их.

В обоих случаях система самообучения (адаптации) электронного блока управления (ЭБУ) и лямбда-контур обратной связи СВБ коэффициентами LFT и Short Fuel Trim (SFT) корректируют цикловую дозу топлива, однако это не приводит к очистке цилиндра от ОГ, так как дефект находится не в СВБ, а в ГРМ или выпускной системе.

Вследствие этого совершенствование средств и способов анализа систем ДВС, смесь которого характеризуется как богатая, и распознавания неработоспособной системы является весьма актуальной задачей достижения технического результата диагностики.

Уровень техники

Прямым параметром фазы газораспределения является угол поворота коленчатого вала (KB) в пределах рабочего цикла. Способ прямого измерения фаз включает демонтаж крышек привода ГРМ и клапанной, свечей зажигания, поворот KB вручную, определение углов открытия и закрытия клапанов и сопоставление их с нормативными фазами. Большая трудоемкость, отсутствие критерия оптимальности фаз и какого-либо отношения к выпускной системе практически исключают этот способ из числа аналогов изобретения.

Способ косвенного измерения фаз посредством мотор-тестера (МТ) по давлению перетекающих в цилиндре газов существенно менее трудоемок, и в этом смысле является аналогом изобретения. Способ включает установку вместо одной свечи зажигания датчика давления, подключенного к цифровому осциллографу, пуск ДВС, определение положения контрольных фаз (КФ) осциллограммы текущего давления в контрольных секторах (КС) фаз специального плагина МТ (URL: https://injectorservice.com.ua/phase_plugin.php и др.). Недостатки способа: КС усреднены и не отражают точные нормативные значения фаз диагностируемого ДВС; оптимальные значения фаз не всегда совпадают с нормативными. Наиболее часто отклонены отдельные КФ, что не дает основания для коррекции углового положения распределительного вала/валов; или отклонены все КФ в среднем на величину менее цены одного зуба приводного шкива/звездочки, но при этом недостает информации для принятия решения о коррекции фазы, так как коррекция возможна на целое число зубьев и не менее, чем на один зуб. Практика применения МТ дает основание утверждать, что при отклонении фазы в пределах менее одного зуба данный способ обеспечивает точность технического диагноза ГРМ с вероятностью Р_МТ ≤0,8.

Аналогами изобретения являются средства и способы определения степени обогащения смеси, косвенного определения оптимальности фазы газораспределения и нормальной проходимости выпускной системы по концентрации ОГ, определяемой прямо с помощью 2-(СО, СН) и 1-компонентных (СО) автомобильных газоанализаторов (ГА), которые хотя и недостаточно информативны, но вследствие доступной цены преимущественно применяются на СТО и в автомастерских, или косвенно по коэффициентам топливного баланса LFT и SFT, определяемых с помощью имеющего такую функцию диагностического сканера. Близкое к нулю значение LFT, соответствие текущих значений SFT и концентрации ОГ нормативным значениям свидетельствуют о стехиометрической смеси, оптимальном значении фаз и низком сопротивлении выпускной системы и имеют место при практическом полном сгорании смеси.

Теоретическое полное сгорание заключается в том, что результатом реакции окисления углеводородов С_xН_y являются диоксид углерода СО₂ и водяной пар Н₂О; например, молекула метана СН₄ и две молекулы кислорода О₂ превращаются в молекулу СО₂ и две молекулы Н₂О (фиг. 1). Учтя содержание в атмосферном воздухе азота N₂ и не учитывая другие вещества, составляющие в сумме около 1%, в ОГ образуется соответствующая концентрация СО₂ и Н₂О (фиг. 2).

При практическом полном сгорании стехиометрической смеси результатом реакций, кроме СО₂, Н₂O и N₂, являются такие побочные ОГ, как оксид углерода СО, несгоревшие углеводороды С_xН_y и водород Н₂, избыточный кислород О₂, оксиды азота NO_x, углерод С (фиг. 3), незначительное количество оксида серы SO₂. ОГ, удаляемые из цилиндра свежим зарядом смеси, имеют тот же состав и концентрацию.

Преимуществами аналогов является то, что концентрация ОГ является важнейшим интегральным индикатором преобразования химической энергии углеводородов топлива в тепловую энергию рабочего тела, и способы не требуют демонтажа деталей и узлов, так как пробоотборный зонд (ПОЗ) ГА легко размещают в задней выхлопной трубе, а диагностический сканер подключают через диагностический разъем, однако, нередко необходимо измерять концентрацию перед КН через отверстие предварительно извлеченного первого лямбда-зонда или технологическое отверстие.

Недостатком аналогов является достоверность диагноза лишь при соответствии концентрации ОГ нормативным значениям, но любое несоответствие не способно указать на конкретную неработоспособную систему: СВБ, ГРМ или выпускную систему.

Прототипом изобретения являются 4-(СО, СН, СО₂, О₂) и 5-компонентные (СО, СН, СО₂, О₂, ΝΟ_x) ГА (URL: https://www.infracar.ru/products/group41/; http://www.meta-moscow.ru/ru/store/gazoanalizatory-avtomobilnye/mnogokomponentnye-0-ii-klassa-tochnosti/ и др.), которые обеспечивают более высокую информативность благодаря большему числу комбинаций значений компонентов ОГ. Вместе с тем, прототип также не обеспечивает полное достижение технического результата в силу схожести значений богатой смеси (фиг. 4), значениям, обусловленных неоптимальными фазами перекрытия клапанов или увеличенным сопротивлением выпускной системы (фиг. 5), невзирая на различие дефектов. Кроме того, препятствием для массового применения прототипа является его высокая цена.

Общим недостатком аналогов и прототипа является то, что автомобильные ГА предназначены для контроля за соблюдением экологических норм, поэтому измеряют концентрацию только токсичных компонентов ОГ, за исключением концентрации кислорода, необходимой для оценки степени окисления углеводородов. Не имея данных о других компонентах, индицируемые ГА значения компонентов ОГ при нарушении фаз перекрытия клапанов и увеличении сопротивления выпускной системы чаще всего расценивают как обогащение смеси и ошибочно подвергают диагностике СВБ, что приводит к неоправданным трудозатратам и препятствует достижению технического результата. Но дефект СВБ в пределах базового значения цикловой дозы топлива ±20% может быть откорректирован коэффициентом LFT, и тем самым «замаскирован», поэтому, чтобы обнаружить обогащение смеси, необходимо определить значение LFT, а когда это невозможно, обнулить адаптацию (сбросить настройки ЭБУ к исходным значениям), отключить лямбда-зонды, затем запустить ДВС и измерить концентрацию ОГ.

Другой серьезный недостаток заключается в том, что подавляющее большинство ДВС не оснащено отбором для подсоединения ГА до КН, а поскольку эффективность КН составляет 97…98% и более (URL: https://eet-msk.ru/posts/12; BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями, с. 356), то ГА индицирует значительно повышенные значения концентрации ОГ, только если их объем превышает возможности КН. Например, если КН рассчитан на нейтрализацию оксида углерода, имеющего концентрацию 3,5%, то ГА индицирует повышение СО только при превышении этого значения (фиг. 6).

Аналогом определения повышенного сопротивления выпускной системы является способ измерения противодавления посредством манометра или датчика давления до КН при частоте оборотов ДВС 2500 мин^-1, показания которого должны быть не более 10÷15 кПа (Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. издание - М.: Издательство «За рулем», 1998, с. 170). Недостатками практического применения способа являются необходимость извлечения первого лямбда-зонда из выпускной системы, а также низкая достоверность диагноза в «пограничных» случаях, когда противодавление составляет около 10 кПа и даже менее, но тем не менее засор выпускной системы имеет место и сопротивление выпускной системы завышено.

В изобретении исключены недостатки аналогов и прототипа и учтены потребности практической диагностики. Предложенные анализатор AFS и способ распознавания посредством него неработоспособной системы ДВС позволяет достичь технического результата диагностики. Анализатор AFS и способ его применения не известны из уровня техники, для специалиста не следуют из уровня техники явным образом, и могут быть применены в автомобильном сервисе, в силу чего являются новым, промышленно применимым изобретением, имеющим изобретательский уровень.

Раскрытие изобретения

Сущность анализа систем бензинового ДВС, смесь которого характеризуется как богатая, и распознавания неработоспособной системы заключается в реализации диагностической модели (ГОСТ 20911-89. Табл. 1, п. 20) AFS - анализатора неработоспособной системы, объединяющей свойства ОГ и математической модели наполнения цилиндра остаточными ОГ вследствие обогащения смеси, отклонения фаз перекрытия клапанов от оптимального значения или повышенного сопротивления выпускной системы.

Поскольку геометрические размеры цилиндра практически неизменны, то при неоптимальной фазе ГРМ увеличивающееся с каждым РЦ количество молекул остаточных ОГ размещается в цилиндре за счет сокращения между ними расстояний, которые многократно превышают размер самих молекул. Остаточные ОГ занимают определенную часть рабочего объема цилиндра, что эквивалентно его уменьшению, приводят к росту давления в цилиндре и уменьшению коэффициента наполнения. Вследствие инерционности, ЭБУ учитывает это с некоторым запаздыванием (1…3 РЦ), после чего корректирует коэффициенты кратковременного SFT и долговременного LFT топливного баланса, в определенных пределах поддерживая λ≈1.

Процесс накопления остаточных ОГ в цилиндре начинается со 2-го РЦ и описывается следующей математической моделью:

где j=2, 3, …, J - порядковый номер РЦ;

I_j - текущее количество впущенной смеси на j-м РЦ;

I_j-1=I_j+ΔI_j - текущее количество впущенной смеси на (j-1)-м РЦ;

ΔI_j - текущее приращение количества впущенной смеси на j-м РЦ к I_j-1;

E_j - текущее количество выпущенных ОГ на j-м РЦ;

E_j-1=E_j+ΔE_j - текущее количество выпущенных ОГ на (j-1)-м РЦ;

ΔE_j - текущее приращение количества выпущенных ОГ на j-м РЦ к E_j-1;

Z_j - текущее количество остаточных ОГ на j-м РЦ;

Z_j-1=Z_j-ΔZ_j - текущее количество остаточных ОГ на (j-1)-м РЦ;

ΔZ_j - текущее приращение количества остаточных ОГ на j-м РЦ к Ζ_j-1;

k=λ/Φ- коэффициент перекрытия, k=0…1;

ϕ - текущее перекрытие клапанов;

Φ - номинальное перекрытие клапанов. Если принять, что перекрытие клапанов начинается за 10÷15° до ВМТ и заканчивается через 5÷20° после ВМТ (BOSCH. Автомобильный справочник, с. 393, рис. 2), то максимальное перекрытие составляет Φ=35°. Распространенный шаг приводных шкивов и звездочек ГРМ 3/8" (9,525 мм), что при различных их диаметрах обусловливает наличие 28÷42 зубьев. Учитывая, что шкив/звездочка совершает один оборот за 720° поворота коленчатого вала, цена одного зуба составляет 17,14÷25,71°.

При максимальном перекрытии и минимальном кратном зубу нарушении фазы:

Очевидно, что первая часть остаточных ОГ остается в цилиндре только по окончании 1-го РЦ (j=1), поэтому в этом случае Ζ_j-1=Ζ₀=0, и из (1):

Через определенное число рабочих циклов переходные процессы накопления и коррекции практически завершаются, цикловое количество выпущенных ОГ становится равным цикловому количеству вновь образовавшихся ОГ. В этом случае ΔI_j=0, ΔE_j=0, ΔΖ_j=0, I_j-1=I_j, E_j-1=E_j, Z_j-1=Z_j, и из (1):

откуда:

Построенное исходя из (3)…(5) семейство кривых E_j/I_j(j,k) отражает отношение количества выходящих ОГ к количеству впущенной смеси в зависимости от числа рабочих циклов и значения коэффициента перекрытия (фиг.7).

Семейство кривых Z_j/I_j(j,k) отражает отношение количества накопленных остаточных ОГ к количеству впущенной смеси в зависимости от числа РЦ и коэффициента перекрытия (фиг. 8). Например, если перекрытие клапанов уменьшено вдвое (k=0,5), то уже на 3-м рабочем цикле Z_j/I_j=1, т.е. фактически рабочий объем цилиндра уменьшается в 2 раза, и во столько же уменьшается мощность двигателя (BOSCH. Автомобильный справочник, с. 436, 437), которой достаточно для холостого хода, но не для качественного движения автомобиля. При k=0,2÷0,3 двигатель может заглохнуть через 5÷6 РЦ после пуска. Очевидно, что кривые, расположенные выше кривой k=0,2, являются теоретическими. Они показывают не работу ДВС в течение 10÷40 РЦ, а уже при соотношении Z_j/I_j ≥4 отражают его способность работать только 1÷2 РЦ, что часто встречается на практике, т.е. при прокручивании стартером двигатель не запускается, а лишь имеют место отдельные вспышки в цилиндрах.

Отличие химических реакций в цилиндре с неоптимальными фазами перекрытия клапанов от цилиндра с оптимальными фазами обусловлено тем, что остаточные ОГ и частицы углерода С предыдущего рабочего цикла в высокотемпературной среде цилиндра активно образуют новые углеводороды С_хН_У, в частности, метан СНд:

СO₂⇒СО+О; 2С+O₂⇒2СО; С+O₂⇒СO₂; Н₂O+СО⇒СO₂+Н₂; Н₂O+С⇒СО+Н₂; 2Н₂O+С⇒СO₂+2Н₂; 2Н₂+O₂⇒2Н₂О; С+2Н₂⇒СН₄; СО+3Н₂⇒СН₄+Н₂O; СН₄+2O₂⇒СO₂+2Н₂O; CH₄+С+Н₂⇒С_xН_y.

Сумме углеводородов стехиометрической смеси и вновь образованных углеводородов при неоптимальном перекрытии сопутствует меньшее наполнение цилиндров, и результатом горения становятся ОГ, регистирируемые газоанализатором, концентрация которых практически аналогична ОГ богатой смеси при оптимальном перекрытии (фиг. 9, где надстрочные индексы «ст» относятся к стехиометрической смеси, «об» к частично обогащенной смеси (λ=0,9), «фп» к стехиометрической смеси при неоптимальных фазах перекрытия). Эта схожесть и частичная компенсация мощности при 0,8<λ<1 за счет вновь образованных углеводородов существенно затрудняют распознавание дефекта.

В химических реакциях остаточных ОГ активное участие принимают не только ОГ с измеряемой концентрацией, но также водород Н₂ и водяной пар Н₂O, известные значения концентрации которых могли бы способствовать распознаванию дефекта, однако они не входят в число компонентов ОГ, измеряемых автомобильными газоанализаторами.

Важное свойство химической реакции горения водорода 2Н₂+O₂⇒2Н₂O заключается в том, что она происходит только тогда, когда концентрация O₂ ≥6%, либо концентрация Н₂ ≥4%. Другое свойство - высокая устойчивость молекул O₂ и Н₂: при их столкновении химическая реакция образования воды возникает лишь при наличии свободных радикалов, в частности, атомов Н, О и групп ОН в результате следующей последовательности реакций: Η+O₂⇒ОН+О; ОН+Н₂⇒Н₂O+Н; О+Н₂⇒ОН+Н. Сами же свободные радикалы возникают и непрерывно образуются в процессе поджига и самоподдержания горения при температуре выше 500…577°С, и только в этом случае группа из двух атомов ОН встречается с молекулой Н₂, что и образует воду (URL: https://fb.ru/article/422503/temperatura-goreniya-vodoroda-opisanie-i-usloviya-reaktsii-primenenie-v-tehnike Такие условия имеют место в цилиндрах ДВС, поэтому в результате сгорания стехиометрической смеси при неоптимальном перекрытии клапанов образуется на ΔΗ₂O больше водяного пара, чем при горении богатой смеси и оптимальном перекрытии клапанов (фиг. 10), что является диагностическим признаком, но превращать который в диагностический параметр нецелесообразно из-за сложностей учета температуры и влажности окружающего воздуха, температуры выпускного тракта и самого водяного пара, разделяющих Н₂O на газообразную и жидкую фракции.

В то же время водород при сгорании стехиометрической смеси и неоптимальном перекрытии клапанов не успевает накапливаться в высокотемпературной среде цилиндра, так как вступает в реакцию с достаточным количеством кислорода; вследствие этого его концентрация на ΔΗ₂ меньше, чем при горении богатой смеси и оптимальном перекрытием клапанов (фиг.10), и этот диагностический признак может быть превращен в диагностический параметр без принципиальных затруднений, так как допускает применение газоанализаторов водорода.

При неоптимальном перекрытии клапанов остаточные ОГ через некоторое число РЦ заполняют не только цилиндры, но и выпускную систему. На холостом ходу ДВС температура КН достигает 370°С, а в движении автомобиля при оборотах ДВС более 2000 мин^-1 635…850°С (URL: https://www.drive2.ru/l/480976689719935202/), вследствие чего на холостом ходу, а в силу инерции нагрева КН и 1÷2 мин (в зависимости от места установки КН) после повышения оборотов ДВС более 2000 мин^-1 водород не окисляется в КН, и его концентрация не снижается. Это свойство исключает необходимость трудозатратного пробоотбора водорода до КН и обеспечивает пробоотбор в задней выхлопной трубе, невзирая на высокую эффективность КН.

При увеличенном сопротивлении выпускной системы ОГ вначале накапливаются в месте засора и достигают цилиндров через некоторое время, тем быстрее, чем ближе место засора к силовому агрегату ДВС. В цилиндрах часть водорода сгорает, его концентрация падает, а затем вновь повышается из-за нового заполнения выпускной системы. Колебания концентрации водорода с периодом примерно 5÷60 с, изменяющимся в силу турбулентности потока ОГ и снижающимся с ростом частоты оборотов ДВС из-за более быстрого заполнения выпускной системы, являются диагностическим признаком ее повышенного сопротивления. Период колебаний значительно отличается от периода колебаний лямбда-контура, оснащенного двухточечными лямбда-зондами, но иногда для повышения достоверности такие лямбда-зонды на время измерений следует отключить.

Таким образом, пробоотбор водорода в задней выхлопной трубе на холостом ходу ДВС и в течение 1 мин после повышения частоты оборотов не вносит погрешностей в диагностику оптимальной фазы ГРМ и позволяет распознать повышенное сопротивление выпускной системы, что делает принципиально возможным применение газоанализаторов водорода, имеющих индикацию его концентрации и функцию принудительного пробоот-бора для обеспечения точности измерений аналогично автомобильному ГА. Однако, высокая цена таких промышленных газоанализаторов водорода, например, АВП-01Г, АВП-02Г (URL: https://www.gazoanalizators.ni/AVP-01G-cena-kupit.html; https://www.gazoanalizators,ru/АVP-02G-cena-kupit.html), препятствует их массовому применению.

Исходя из этого, предлагается конструкция недорогого анализатора неработоспособной системы ДВС на основе датчика водорода типа MQ-8 (URL: http://www.elechouse.com/elechouse/images/product/Hydrogen%20Sensor%02MQ-8/MQ-8.pdf и др.) (фиг. 11).

Анализатор AFS 1 (фиг. 12) функционирует следующим образом.

Пробоотборный зонд 2 находится в выхлопной трубе выпускной системы 3 автомобиля с работающим на холостом ходу ДВС и выходом ОГ 4, содержащих водород. Вакуум-насос 5 при включении создает разрежение и осуществляет забор ОГ 4 по тракту ПОЗ 2, фильтр 6, фильтр-влагоотделитель (ФВО) 7, впускной штуцер 8, вакуум-насос 5, и создает стабильную струю ОГ 4, которые накапливаются под некоторым давлением в ресивере 9 и проникают к чувствительному элементу датчика водорода 10, частично выходя из ресивера через выпускные отверстия и стравливая избыточное давление. Датчик водорода 10 под воздействием имеющегося в ОГ водорода формирует электрический сигнал постоянного напряжения, который измеряется цифровым вольтметром 11.

Питание вакуум-насоса осуществляется от стабилизатора +5 В 12, питание датчика водорода осуществляется от стабилизатора +5 В 13, питание вольтметра и стабилизаторов осуществляется от бортовой сети автомобиля или иного источника постоянного напряжения +12÷15 В. Применение двух стабилизаторов +5 В исключает влияние электродвигателя вакуум-насоса на датчик водорода через цепи электропитания. Схема защищена от перепутывания полярности предохранительным диодом 14. Вакуум-насос 5 включается выключателем 15, оснащенным световой сигнализацией включения. Корпус AFS 1 имеет вентиляционные щели 16 для удаления избыточных ОГ и вентиляции полости AFS после окончания работы. Фильтры 6 и 7 предназначены для задержания сажевых и других частиц во избежание засора вакуум-насоса и датчика водорода. ФВО 7, кроме того, защищает компоненты тракта от залива конденсатом паров Н₂О. В качестве пробоотборного зонда 2, фильтров 6 и 7 могут быть применены соответствующие штатные компоненты промышленного ГА. При применении штатных пробоотборного зонда 2, фильтров 6 и 7 в качестве единого тракта ГА и AFS, он включает разветвитель (тройник) 17 для направления ОГ одновременно на ГА 18 и на AFS 1, и обратные клапаны 19 (фиг. 13), которые обеспечивают пробоотбор только из системы выпуска ОГ 3 и одновременно воспрещают ГА и AFS про-боотбор друг у друга. В качестве обратного клапана 17 может быть использован двухходовой клапан системы вентиляции топливного бака.

AFS 1 подключают к источнику питания +12…15 В посредством кабеля 20 и зажимов типа «крокодил» 21 (фиг. 14). Вакуум-насос 5 (фиг. 15) установлен на подушке 22 и скобой 23 закреплен к печатной плате 24, на которой установлены также стабилизатор 12 с радиатором 25, стабилизатор 13 и датчик водорода 10, на который плотно надет ресивер 9. Впускной штуцер 8 соединен с вакуум-насосом 5 вакуумным шлангом 26.

Принцип диагностики посредством AFS отличается от прототипа тем, что когда смесь характеризуется как богатая, осуществлен принудительный пробоотбор ОГ из выхлопной трубы на холостом ходу ДВС и 1÷2 мин на частоте оборотов 2000÷3000 мин^-1, и при этом AFS индицирует постоянное напряжение более порогового значения, то неработоспособной является СВБ, а ее дефектом богатая смесь. Если AFS индицирует напряжение не более порогового значения, то неработоспособным является ГРМ, его дефектом неоптимальные фазы перекрытия клапанов, а следовательно, и нарушения фазы газораспределения. Если же AFS индицирует колебания амплитуды напряжения более порогового значения с изменяющимся периодом от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, уменьшающимся с ростом частоты оборотов ДВС, то неработоспособной является выпускная система, а ее дефектом увеличенное сопротивление. Такой анализ систем ДВС посредством AFS и распознавание неработоспособной системы обеспечивает постановку соответствующего технического диагноза.

Исходя из этого, способ анализа посредством AFS систем ДВС, смесь которого характеризуется как богатая, и распознавания неработоспособной системы заключается в следующем. Определяют техническое состояние ДВС «неработоспособен», холодный ДВС прогревают до рабочей температуры на частоте оборотов холостого хода и с помощью AFS измеряют напряжение, обусловленное концентрацией водорода в ОГ. Для этого посредством AFS осуществляют принудительный пробоотбор ОГ в выхлопной трубе работающего ДВС на холостом ходу и 1÷2 мин на частоте оборотов 2000÷3000 мин^-1, так как в этом случае КН не уменьшает концентрацию водорода, и если AFS индицирует напряжение не более порогового значения, то неработоспособным определяют ГРМ с дефектом нарушение оптимальной фазы газораспределения. Если AFS индицирует постоянное напряжение более порогового значения, то неработоспособной определяют СВБ с дефектом богатая смесь. Если AFS индицирует колебания амплитуды напряжения более порогового значения с изменяющимся периодом от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, уменьшающимся с ростом частоты оборотов ДВС, то неработоспособной определяют выпускную систему с дефектом увеличенное сопротивление. Заключение о неработоспособной системе и ее дефекте отражают в техническом диагнозе.

При относительной влажности 33÷5%, температуре ОГ +20÷+50°С и применении газоанализатора II класса точности, например, «Автотест» 01.03М, погрешности измерений δН₂=8% (URL: https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/BiometricMQ-8.pdf, fig. 4), δCO=6% (URL: http://www.meta-moscow.ru/upload/iblock/777/7775871deccd345259d4d3f9df4bad94.pdf, c. 9), вероятность достоверного диагноза посредством AFS поэтому применение изобретения совместно с мотор-тестером обеспечивает достоверность диагноза: Ρ=1-(1-Р_MT)(1-P_SFD)=0,98.

Таким образом, свойства анализатора AFS и способа его применения непосредственно обусловливают способность изобретения достичь требуемого технического результата анализа систем бензинового ДВС, смесь которого характеризуется как богатая, и распознавание неработоспособной системы.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Результат реакции окисления при теоретическом полном сгорании ТВС.

Фиг. 2. Концентрация СO₂ и Н₂O при теоретическом полном сгорании ТВС.

Фиг. 3. Состав ОГ при практическом сгорании стехиометрической ТВС.

Фиг. 4. Состав ОГ при практическом сгорании богатой ТВС.

Фиг. 5. Состав ОГ при практическом сгорании стехиометрической ТВС и нарушении фаз перекрытия клапанов ГРМ или увеличении сопротивления выпускной системы.

Фиг. 6. СО на входе и выходе КН, нейтрализующего концентрацию 3,5% СО.

Фиг. 7. Отношение количества выпущенных ОГ к количеству впущенной смеси в зависимости от числа рабочих циклов и значения коэффициента перекрытия.

Фиг. 8. Отношение количества остаточных ОГ к количеству впущенной смеси в зависимости от числа рабочих циклов и значения коэффициента перекрытия.

Фиг.9. Концентрация ОГ богатой смеси при оптимальных фазах перекрытия и стехиометрической смеси при неоптимальных фазах перекрытия клапанов.

Фиг. 10. Концентрация воды и водорода богатой смеси при оптимальных фазах перекрытия клапанов и стехиометрической смеси при неоптимальных фазах перекрытия.

Фиг. 11. Датчик MQ-8: 10 - датчик водорода; 27 - регулятор чувствительности.

Фиг. 12. APS. Функциональная схема: 1 - AFS; 2 - пробоотборный зонд; 3 - выпускная система; 4 - ОГ; 5 - вакуум-насос; 6 - фильтр; 7 - ФВО; 8 - впускной штуцер; 9 - ресивер; 10 - датчик водорода; 11 - вольтметр; 12 и 13 - стабилизаторы +5 В; 14 - предохранительный диод; 15 - выключатель; 16 - вентиляционные щели.

Фиг. 13. Схема одновременного пробоотбора посредством ГА и AFS: 1 - AFS; 2 - пробоотборный зонд; 3 - выпускная система; 4 - ОГ; 6 - фильтр; 7 - ФВО; 17 - разветвитель; 18 - ГА; 19 - обратный клапан.

Фиг. 14. AFS. Конструкция, внешний вид (проект): 1 - AFS; 11 - вольтметр; 15 - выключатель; 16 - вентиляционные щели; 20 - кабель питания; 21 - зажимы.

Фиг. 15. AFS. Конструкция (проект): 1 - AFS; 5 - вакуум-насос; 8 - впускной штуцер; 9 - ресивер; 10 - датчик водорода; 11 - вольтметр; 12 и 13 - стабилизаторы +5 В; 15 - выключатель; 20 - кабель питания; 21 - зажимы; 22 - подушка; 23 - скоба; 24 - печатная плата; 25 - радиатор; 26 - вакуумный шланг.

Фиг. 16. AFS. Схема электрическая принципиальная: VB - напряжение бортовой сети; VCC1, 2 - стабилизованные напряжения +5 В; D1 - предохранительный диод; S1 - выключатель; IC1, 2 - стабилизаторы напряжения +5 В; UP1 - вакуум-насос; IC3 - датчик водорода; IC4 - вольтметр.

Фиг. 17. AFS. Практическая конструкция, внешний вид: 1 - AFS; 8 - впускной штуцер; 11 - вольтметр; 15 - выключатель; 16 - вентиляционные щели; 20 - кабель питания; 21 - зажимы.

Фиг. 18. AFS. Практическая конструкция: 1 - AFS; 5 - вакуум-насос; 8 - впускной штуцер; 9 - ресивер; 10 - датчик водорода; 11 - вольтметр; 12 и 13 - стабилизаторы +5 В; 15 - выключатель; 20 - кабель питания; 23 - скоба; 24 - печатная плата; 25 - радиатор; 26 - вакуумный шланг; 28 - радиатор; 29 - отверстие.

Фиг. 19. AFS. Практическая конструкция, подано питание +12 В, вакуум-насос выключен: 1 - AFS; 8 - впускной штуцер; 11 - вольтметр; 15 - выключатель; 16 - вентиляционные щели; 20 - кабель питания.

Фиг. 20. AFS. Практическая конструкция, подано питание +12 В, вакуум-насос включен: 1 - AFS; 8 - впускной штуцер; 11 - вольтметр; 15 - выключатель; 16 - вентиляционные щели; 20 - кабель питания.

Фиг.21. Концентрация ОГ заведомо работоспособного ДВС на холостом ходу.

Фиг. 22. Коэффициенты LFT и SFT работоспособного ДВС на холостом ходу.

Фиг. 23. Контрольные фазы газораспределения работоспособного ДВС на холостом ходу: 30 - КФ начала открытия выпускного клапана; 31 - КФ момента открытия выпускного клапана; 32 - КФ открытия впускного клапана; 33 - КФ закрытия впускного клапана.

Фиг. 24. Размещение проботборного зонда в задней выхлопной трубе: 2 - ПОЗ; 34 - задняя выхлопная труба; 35 - глушитель выпускной системы.

Фиг. 25. Пороговое значение AFS: 1 - AFS: 7 - ФВО; 11 - вольтметр, показание порогового значения 0,36 В; 15 - выключатель.

Фиг. 26. Показания газоанализатора и AFS при резком ускорении ДВС: 1 - AFS: 7 -ФВО; 11 - вольтметр, показание 4,28 В; 15 - выключатель.

Фиг. 27. Практическая диагностика. Свечи зажигания диагностируемого ДВС: 36 - изолятор центрального электорда.

Фиг. 28. Практическая диагностика. Коэффициенты LFT и SFT диагностируемого ДВС на холостом ходу.

Фиг. 29. Практическая диагностика. Измерение фазы газораспределения диагностируемого ДВС на холостом ходу мотор-тестером USB Autoscope III: 37 - датчик давления.

Фиг. 30. Практическая диагностика. Измерение фазы газораспределения диагностируемого ДВС на холостом ходу мотор-тестером USB Autoscope III: 30 - фаза начала открытия выпускного клапана; 32 - фаза момента открытия выпускного клапана; 32 - фаза открытия впускного клапана; 33 - фаза закрытия впускного клапана.

Фиг. 31. Практическая диагностика. Показания газоанализатора до КН.

Фиг. 32. Практическая диагностика. Максимальные показания AFS: 1 - AFS: 7 - ФВО; 11 - вольтметр, показание 1,32 В; 15 - выключатель.

Фиг. 33. Практическая диагностика. Минимальные показания AFS: 1 - AFS: 7 - ФВО; 11 - вольтметр, показание 0,60 В; 15 - выключатель.

Осуществление изобретения

Согласно проекту (фиг. 12-16) создана и испытана практическая конструкция анализатора AFS неработоспособной системы ДВС (фиг. 17-20). Анализатор AFS 1 (фиг. 17) выполнен в маслобензостойком пластиковом корпусе с внешними компонентами: впускным штуцером 8, цифровым вольметром 11, выключателем питания 15, кабелем питания 20 с зажимами типа «крокодил» 21.

Все компоненты сквозного монтажа электрической принципиальной схемы (фиг. 16) расположены на верхней стороне односторонней печатной платы 24 (фиг. 18). Испытания показали необходимость установки радиатора 28 площадью 50 см² для охлаждения стабилизатора 13. Ресивер 9 изготовлен из корпуса одноразового медицинского шприца объемом 20 мл с четырьмя равномерно размещенными по окружности стравливающими избыточное давление отверстиями 29 диаметром 1 мм. Технические характеристики анализатора AFS:

Контролируемое вещество водород Н₂

Диапазон концентрации, % об. 0,1÷4

Диапазон показаний, В 0÷4,5

Пороговое напряжение, В 0,2÷0,5

Диапазон относительной влажности ОГ, % 33÷85

Погрешность измерения при температуре ОГ +5÷-+50°С, % ±18

Погрешность измерения при температуре ОГ +20÷+50°С, % ±8

Время готовности, мин 5

Напряжение питания, В +12÷15

Потребляемая мощность, не более, Вт 9

Габариты корпуса (длина × ширина × высота), мм 134×90×46

Масса, не более, кг 0,4

Настройка AFS перед первым включением: ротор потенциометра регулятора чувствительности 27 датчика водорода 10 (фиг. 11) поворачивают по часовой стрелке в крайнее положение (до упора).

Включение и прогрев AFS. Зажимы 20 (фиг. 17) подключают к источнику постоянного напряжения +12÷15 В, зажим черного цвета к клемме «минус» источника, зажим красного цвета к клемме «плюс». При этом включается вольтметр 11 (фиг. 19) со значением 0,00, которое через несколько секунд вырастает до 0,70÷1,10, а затем в течение не более 4÷5 минут снижается до устойчивого значения 0,08÷0,24 в зависимости от концентрации водорода в помещении, ресивере, датчике водорода. Это означает, что датчик водорода прогрет, и AFS готов к работе.

О включении выключателя 15 и вакуум-насоса сигнализирует подсветка выключателя (фиг. 20). При этом вакуум-насос издает характерный звук своей работы, который усиливается, если кратковременно закрыть впускной штуцер 8. При размещении AFS в среде с нулевой концентрацией водорода воздух, закачиваемый вакуум-насосом в ресивер и обдувающий датчик водорода, несколько снижает показания вольтметра, что свидетельствует о работоспособности AFS.

Пороговое напряжение AFS определяют при работе заведомо работоспособного прогретого ДВС на стехиометрической смеси на холостом ходу, имеющего концентрацию ОГ (фиг. 21) и коэффициенты LFT и SFT (фиг. 22) или контрольные фазы газораспределения (фиг. 23), соответствующие нормативным значениям, для чего пробоотборный зонд 2 размещают в выхлопной трубе (фиг. 24), включают вакуум-насос AFS выключателем 15 (фиг. 25) и фиксируют устойчивые показания вольтметра 11 в течение 1÷2 мин. Показания должны составлять 0,2÷0,5 В, которое принимают как пороговое значение и записывают его на шильдике, расположенном снизу на корпусе AFS. Пороговое значение демонстрируемого AFS составляет 0,36 В.

При резком нажатии на педаль акселератора смесь кратковременно обогащается, концентрация водорода значительно увеличивается, показания вольтметра 11 должны на несколько секунд достичь значения 4,0÷4,5 В, что соответствует концентрации СО=5÷9% и 2÷6%, измеренной до и после КН соответственно, повышенным значениям СН и O₂, заниженному значению СO₂ (фиг. 26).

При необходимости AFS тестируют на заведомо работоспособном ДВС путем изменения фазы ГРМ и уменьшения проходимости выпускной системы. Фазу ГРМ изменяют перестановкой ремня (цепи) на 1 зуб. Запускают ДВС, на холостом ходу должны увеличиться концентрации СО и СН, но показания вольтметра AFS не должны увеличиться более порогового значения. Выключают ДВС, возвращают фазу ГРМ в первоначальное положение, осуществляют сброс кодов неисправностей DTC, адаптацию ЭБУ и одновременную очистку выпускной системы работой ДВС на месте на различных оборотах и тестовой контрольной поездкой. Проходимость выпускной системы уменьшают при оптимальной фазе ГРМ, закрыв выхлопную тубу заглушкой с регулируемым отверстием. Постепенно уменьшая отверстие до достижения концентрации СО=4,1÷4,3%, измеренной до КН, убеждаются, что показания цифрового вольтметра AFS превышают пороговое значение и осуществляют колебания с изменяющимся периодом от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. При необходимости, чтобы отличить эти колебания от колебаний, обусловленных работой лямбда-контура, оснащенного двухточечными лямбда-зондами, на период измерений отключают лямбда-зонды.

На практике достигнут технический результат анализа систем ДВС, смесь которого характеризуется как богатая, и распознавания неработоспосбной системы, что демонстрируется на следующем примере. Диагностируемый 4-цилиндровый ДВС имеет такие признаки богатой смеси, как черный налет на изоляторах центральных электродов 35 свечей зажигания (фиг. 27) и повышенный расход топлива; значение диагностического параметра - отрицательный коэффициент LFT (фиг. 28), что вполне достаточно для перехода к диагностике анализатором AFS. Однако, с исследовательской целью мотор-тестером USB Autoscope III определены контрольные фазы ГРМ, для чего в свечное гнездо 1-го цилиндра вкручен датчик давления 37 (фиг. 29). На холостом ходу прогретого ДВС контрольные фазы находятся в контрольных секторах (фиг. 30), однако три из четырех КФ (31, 32 и 33) находятся на границах контрольных секторов, что также может быть причиной придания характеристик богатой смеси и указывает на дефект ГРМ. Вместе с тем такое смещение КФ соответствует примерно половине зуба приводного шкива распредвала и не дает оснований для регулировки ГРМ, так как при смещении на один зуб КФ 31 и 32 сместятся к противоположным границам контрольных секторов, а КФ 30 выйдет за пределы контрольного сектора. Измеренная до каталитического нейтрализатора концентрация ОГ также характеризует смесь как богатую (фиг. 31), что дает основания для диагностики такой громоздкой системы, как система впрыска. Таким образом, диагностические признаки и параметры не указывают на неработоспособность одной конкретной системы и вносят значительную неопределенность, разрешить которую предназначен анализатор AFS. Концентрация ОГ, измеренная в выхлопной трубе, имеет идеальные значения (фиг. 32, 33), но, невзирая на это, концентрация водорода за 80 с выросла значительно выше порогового значения 0,36 В, что соответствует 1,32 В (фиг. 32), а затем в течение 50 с показание вольтметра снизилось до 0,60 В (фиг. 33) и вновь начало постепенно нарастать. Эти колебания напряжения свидетельствуют о повышенном сопротивлении выпускной системы, а большой период колебаний о длительном нарастании концентрации водорода, что обусловлено значительным удалением места засора от силового агрегата. Определен технический диагноз: неработоспособна выпускная система, наиболее вероятен дефект глушителя. Действительно, после демонтажа глушителя обнаружено, что его тело (перегородки и наполнитель) начало разрушаться. Идеальная концентрация ОГ объясняется снижением расхода ОГ в выпускной системе и соответственно скорости ОГ, что стало причиной более полного дожигания ОГ в каталитическом нейтрализаторе.

Полученные практические данные диагностики подтвердили соответствие технического результата заявленному назначению изобретения: анализатор неработоспособной системы AFS обеспечивает анализ систем бензинового ДВС, смесь которого характеризуется как богатая, распознавание неработоспособной системы и технический результат определения достоверного диагноза. Представляется целесообразным раширение функций и диагностических возможностей промышленных газоанализаторов путем усовершенствования конструкции за счет встраивания внутреннего блока измерения концентрации водорода, аналогичного AFS.

Предложены Analyzer Faulty System (AFS, англ.) - анализатор неработоспособной системы бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и способ его применения. AFS включает средства принудительного пробоотбора отработавших газов (ОГ), измерения и индикации напряжения о концентрации водорода в ОГ. Способ анализа систем и распознавания неработоспособной системы заключается в том, что если топливовоздушная смесь характеризуется как богатая, то в зависимости от напряжения, которое индицирует AFS, определяют неработоспособной системой газораспределительный механизм с дефектом неоптимальная фаза газораспределения или систему впрыска бензина с дефектом богатая смесь или выпускную систему с дефектом увеличенное сопротивление. 2 н.п. ф-лы, 33 ил.

1. Анализатор неработоспособной системы (AFS) бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), топливовоздушная смесь которого характеризуется как богатая, включащий средства принудительного пробоотбора отработавших газов (ОГ), отличающийся тем, что включает средства измерения и индикации напряжения о концентрации водорода в ОГ, и при пробоотборе ОГ из выхлопной трубы прогретого ДВС на холостом ходу и 1÷2 мин на частоте оборотов ДВС 2000÷3000 мин^-1 индицируемое AFS постоянное напряжение не превышает пороговое значение или превышает пороговое значение или амплитуда превышающего пороговое значение напряжения совершает колебания с периодом от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, уменьшающимся с ростом частоты оборотов ДВС, что обеспечивает распознавание неработоспособной системы ДВС соответственно газораспределительный механизм (ГРМ) с дефектом неоптимальная фаза газораспределения или система впрыска бензина (СВБ) с дефектом богатая смесь или выпускная система с дефектом увеличенное сопротивление.

2. Способ анализа систем бензинового ДВС, топливовоздушная смесь которого характеризуется как богатая, и распознавания посредством AFS по п. 1 неработоспособной системы, заключающийся в определении технического состояния ДВС «неработоспособен», прогреве холодного ДВС на холостом ходу, принудительном пробоотборе ОГ из выхлопной трубы на холостом ходу и 1÷2 мин на частоте оборотов ДВС 2000÷3000 мин^-1, отличающийся тем, что если AFS индицирует постоянное напряжение не более порогового значения напряжения или более порогового значения или колебания амплитуды напряжения более порогового значения с периодом от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, уменьшающимся с ростом частоты оборотов ДВС, то определяют неработоспособной системой соответственно ГРМ с дефектом неоптимальная фаза газораспределения или СВБ с дефектом богатая смесь или выпускную систему с дефектом увеличенное сопротивление, и отражают это заключение в техническом диагнозе.