Совершенствование методики диагностирования датчика кислорода автомобильных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.33:629.3.063.6:681.5:621.43.06

Гончаров А.А., Гончаров Н.С.

Оренбургский государственный университет E-mail: goncharov_osu@rambler.ru

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДАТЧИКА КИСЛОРОДА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В статье представлено решение проблемы диагностирования датчика концентрации кислорода автомобильных двигателей с электронными системами управления. Использованы как существующие подходы к диагностированию, так и предложены мероприятия, направленные на сокращение непроизводительных затрат времени и повышение точности диагноза. Разработан алгоритм диагностирования датчика концентрации кислорода, получены результаты экспериментального установления показателей работы автомобильных двигателей с состоянием датчика кислорода. Разработанные теоретические и экспериментальные положения предназначены для использования на автотранспортных и сервисных предприятиях, а также при подготовке специалистов в сфере обслуживания и ремонта автотранспортных средств, оснащенных электронными системами управления двигателем с обратной связью.

Ключевые слова: датчик кислорода, электронные системы управления двигателем, диагностирование, отработавшие газы.

Автомобильная электроника продолжает развиваться под влиянием глобальных компьютерных технологий. В последние годы она быстро и эффективно проникает в функциональные системы управления автомобильных двигателей.

Оснащение автомобильных двигателей средствами автоматического регулирования подачи топлива и воспламенения горючей смеси обеспечивает эффективную и экономичную их работу. Большинство современных автомобилей с бензиновыми двигателями оборудуют системами впрыска топлива с электронным управлением датчиком концентрации кислорода (датчиком кислорода).

Датчик кислорода предназначен для определения концентрации кислорода в отработавших газах. Информация, которую выдает датчик, используется электронным блоком управления для корректировки количества подаваемого топлива. Датчик кислорода используется только в системах с каталитическим нейтрализатором: под нормы токсичности Евро-2 - один датчик, Евро-3 - два датчика кислорода (до катализатора и после него). Датчик кислорода, установленный после нейтрализатора, является диагностическим. Он анализирует эффективность работы нейтрализатора и по мере ее снижения вводит дополнительные коррективы в топливоподачу [3], [4].

На рисунке 1 представлена логическая схема управления нейтрализацией отработавших газов с датчиком кислорода [6].

В процессе эксплуатации происходит изменение технического состояния датчиков кислорода, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик автомобильных двигателей - снижается их мощность, возрастает расход топлива, увеличивается токсичность отработавших газов, в связи с чем комплекс исследо-

1 - впускной трубопровод; 2 - расходомер воздуха; 3 - двигатель; 4 - первый датчик кислорода; 5 - нейтрализатор; 6 - второй датчик кислорода; 7 - выпускной трубопровод; 8 - электрическая цепь второго датчика кислорода; 9 - электронный блок управления; 10 - сигнал датчика частоты вращения коленчатого вала; 11 - сигнал датчикатемпературы воздуха; 12 - сигнал датчика температуры двигателя; 13 - электрическая цепь расходомера воздуха;14 - электрическая цепь первого датчика кислорода; 15 - напряжение электромагнитной форсунки; 16 - электромагнитная форсунка; 17 - впрыск топлива; 18 - трубопровод подачи топлива

Рисунок 1. Логическая схема управления нейтрализацией отработавших газов с датчиком кислорода

Гончаров А.А., Гончаров Н.С.

Совершенствование методики диагностирования..

ваний, направленный на обеспечение работоспособности датчиков кислорода в эксплуатации, является актуальным.

Обеспечение работоспособности датчика кислорода заключается в своевременном обнаружении неисправностей датчика и своевременное их устранение или замена датчика. Соответственно, основной задачей исследования является разработка и использование эффективной методики диагностирования датчика кислорода.

В результате проведенных эксплуатационных наблюдений установлено, чторесурс датчика кислорода составляет примерно 60-80 тыс. км.

Причины преждевременного выхода из строя датчика кислорода можно условно разделить на две части:

1. Возникновение неисправности из-за неправильной эксплуатации:

- применение этилированного бензина или несоответствующей марки топлива;

- многократные неудачные попытки запуска двигателя через небольшой промежуток времени;

- попадание на керамический наконечник датчика любых эксплуатационных жидкостей;

- обрыв, плохой контакт или замыкание на «массу» выходной цепи датчика;

- не герметичность в выпускной системе.

2. Возникновение неисправности из-за неправильного обслуживания:

- использование при установке датчика несоответствующихгерметиков;

- неправильно установленный угол опережения зажигания;

- проверка работы цилиндров двигателя с отключением свечей зажигания.

Характерными признаками неисправности датчика кислорода являются:

- неустойчивая работа двигателя на малых оборотах;

- повышенный расход топлива;

- ухудшение динамических характеристик автомобиля;

- потрескивание в районе расположения нейтрализатора;

- повышение температуры в районе нейтрализатора;

- загорание лампочки «СЬеске^те» в установившемся режиме.

В результате воздействия перечисленных факторов ухудшается быстродействие датчика.

Это является начальным этапом ухудшения его параметров и вызывает запаздывание срабатывания цепи обратной связи при поддержании оптимального состава смеси.

В таблице 1 представлены результаты экспериментального установления взаимосвязей между отказами датчиков кислородасистемы с обратной связьюна выходные показатели двигателей ВАЗ-2170. Значения ДК1 - для датчика, установленного перед нейтрализатором, ДК2 - для датчика кислорода, установленного после нейтрализатора.

Применяемые методы диагностирования датчика кислорода отличаются физической сущностью и способами измерения диагностических параметров, наиболее приемлемых в конкретных условиях эксплуатации.

Существующая методика диагностирования датчика кислородапредусматривает считывание кодов неисправностей на первом этапе. Если коды соответствующие неисправности датчика не считаны, то это ещё не значит, что датчик исправен. Некоторые системы самодиагностики определяют только предельные состояния (обрыв или замыкание сигнального провода или нагревателя), но для них недоступно определение снижения быстродействия датчика и уменьшения диапазона выходного напряжения. Наличие кода неисправности датчика является необходимым, но не достаточным условием для замены датчика. Обрыв провода, его замыкание или другие причины могут спровоцировать появление кода неисправности датчика. Проверять выходное напряжение (осциллографом, тестером, сканером данных) необходимо, подключаясь к сигнальному проводу датчика при работающем и прогретом двигателе. При проверке выходного напряжения датчика кислородавольтметром используют стрелочный

Таблица 1. Результаты экспериментального установления взаимосвязей между отказами датчиков концентрации кислорода и выходными показателями двигателя ВАЗ-2170

Показатели Нормативные значения Значения при неисправностях

ДК1 ДК2

Мощность №,л.с 98 87 92

Расход топлива Q, л/100км 8,8 12,6 10,4

Концентрация кислорода X 1 0,85 1,085

прибор с достаточно высоким входным сопротивлением или соответствующий индикатор. Полную информацию о состоянии этого датчика можно получить с помощью осциллографа или соответствующих сканеров данных.

Выходное напряжение датчика при исправной системе и при холостых оборотах прогретого двигателя должно постоянно изменятся от высокого уровня к низкому, и обратно. Эти флуктуации напряжения являются признаком того, что электронный блок управления находится в режиме замкнутой обратной связи по напряжению кислородного датчика «closedloop» и постоянно отслеживает и регулирует состав топ-ливно-воздушной смеси «feedback». Обычно выходное напряжение изменяется в диапазоне от 0,1 до 0,9 В [4], [5].

При сгорании стехиометрической смеси отработавшие газы должны состоять из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О и азота N2, но под действием высокой температуры в цилиндре двигателя азот и кислород вступают в реакцию, в результате которой образуются оксиды азота, в основном NO. Кроме того, в отработавших газах всегда содержатся углеводороды, обозначаемые обычно СН. Они представляют собой исходные или распавшиеся молекулы топлива, которые не принимали участия в сгорании. Часть СН выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой

на стенках цилиндров. На такте выпуска происходит их выделение из пленки [2].

Кроме этого, в отработавших газах обязательно присутствует продукт неполного сгорания топлива - оксид углерода СО (угарный газ) и невступивший в реакцию кислород.

В результате обзора литературных источников, а также при проведении собственных исследований установлено, что существует взаимосвязь технического состояния элементов электронной системы управления двигателем с параметрами отработавших газов, представленная в таблице 2.

Значения параметров, представленные в таблице 2, близки к типичным, но не являются эталонными. Оптимальное сгорание горючей смеси характеризуется максимальным выделением углекислого газа СО2. Чем качественнее сгорает топливо в конкретном двигателе, тем больше СО2 в составе отработавших газов, и это один из критериев, которыми можно воспользоваться при регулировке топливоподачи.

Использование газоанализатора при диаг-ностированиине укажет на конкретный неисправный датчик, но с его помощью можно определить направление поиска.

Значение А, определяемоегазоанализатором, представляет собой не реальный, а расчетный коэффициент. Он вычисляется процессором прибора, исходя из количества различных компонентов в составе отработавших газов. Вычисление производится по формуле Бретшнайдера [4]:

[co2

CO

-o2

x=-

hcv 3,5

4 3,5 +TCO]

[co2

о» 2

([co2 ]+ [co])

1+hp-оf)[c02 ]+[co]+k [HC ])

(1)

Таблица 2. Взаимосвязь технического состояния элементов электронной системы управления двигателем

с параметрами отработавших газов [1], [2]

2

Техническое состояние элементов электронной системы управления двигателем Параметры отработавших газов

CO, % CH, ррт CO2,% X

Смесь, близкая к стехиометрической, без катализатора 0,54±0,02 252±12 14,12±0,7 1,09±0,05 1,027±0,05

Негерметичность выхлопной системы 0,60±0,03 256±12 13,45±0,65 1,26±0,06 1,036±0,05

Неисправныесвечи зажигания 0,34±0,01 384±17 12,86±0,6 2,02±0,1 1,085±0,02

Смесь, близкая к стехиометрической, с катализатором 0 20±1 15,76±0,75 0,14±0,007 1,005±0,05

Неработающая форсунка 0,09±0,005 240±12 8,20±0,4 8,55±0,04 1,733±0,09

Гончаров А.А., Гончаров Н.С.

Совершенствование методики диагностирования...

где [КК] - концентрация соответствующего газа, %;

Ц - коэффициент преобразования единиц измерения;

Нсу - поправочный коэффициент для водорода, находящегося в топливе;

Осу - поправочный коэффициент для кислорода, находящегося в топливе.

При наличии каталитического нейтрализатора формула преобразуется в вид:

[со2 ]+[о2 ]-ОЦсо2

X _-7-г-

1 - Офо2 ]+ к )

(2)

Расчетное значение X будет соответствовать реальному значению только в случае, если выпускной тракт двигателя полностью герметичен, а измерительные элементы газоанализатора откалиброваны. В том случае, если выпускной тракт негерметичен (имеются подсосы атмосферного воздуха), то расчетное значение X может оказаться неверным.

Для проведения экспериментального исследования использован комплекс диагностических средств, включающий четырехкомпо-нентный газоанализатор и мотор-тестер.Дляу-становления расчетного значения концентрации кислорода используются как показания газоанализатора, так и данные мотор-тестера.

В результате экспериментального исследования получена зависимость концентрации кислорода от выходного напряжения датчика кислорода ДК2, расположенного после нейтрализатора, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2. График зависимости между выходным напряжением датчика кислородаидК2, расположенного после нейтрализатора, и концентрацией кислорода X

Вычисление разности показаний Д1 концентрации кислорода производится по формуле:

Д1 =Хг„ -X да 2 <0,05, (3)

где X газ - расчетное значение концентрации кислорода, полученное газоанализатором;

XдК2 - расчетное значение концентрации кислорода, полученноемотор-тестером.

Для экспериментального установления взаимосвязи концентрации кислорода с техническим состоянием регулирующего датчика кислорода (ДК1) необходимо использовать как показания мотор-тестера, так иданные о состоянии датчика кислорода ДК2.

Для вычисления разности показаний регулирующего датчика кислородаДК1и диагностирующего датчика кислорода ДК2необходимо найти среднее напряжение регулирующего датчика по графику изменения напряжения ДК1и напряжение датчика по графику изменения напряжения ДК2.

Вычисление среднего напряжения ДК1 производится по формуле

и + и .

и _ тах_иш

(4)

где Итах - максимальное напряжение ДК1, В;

итЬ - минимальное напряжение ДК1, В.

Вычисление разности показаний ДК1 и ДК2 производится по формуле

Д2 _ иср - идк2 , (5)

где иср - среднее напряжениедатчика ДК1, В;

идК2 - напряжение датчика ДК2, В.

На основании теоретических и экспериментальных положенийразработана методика диагностирования датчиков кислорода. Алгоритм диагностирования датчиков кислорода представлен на рисунке 3.

Практическая реализация алгоритмазак-лючается в реализации следующей последовательности операций диагностирования:

1. Подключить газоанализатор Инфракар М-1.01 к автомобилю;

2. В случае превышения СО 0,2% - диагностировать ЭСУД;

3. В случае, когда СО в норме - измерить СН;

4. В случае превышения СН 200 ррт- диагностировать механическую часть;

5. В случае, когда СН в норме - измерить и рассчитать Д1;

6. В случае превышения Д1 0,05 - заменить диагностирующий датчик кислорода;

2

Рисунок 3. Алгоритм диагностирования датчика кислорода

7. В случае, когда Л1 в норме - диагностирующий датчик кислорода исправен, проверить регулирующий датчик концентрации кислорода;

8. В случае превышения Л 0,01- заменить регулирующий датчик концентрации кислорода;

9. В случае, когда Л2 в норме - датчики концентрации кислорода исправны.

Таким образом, разработана методика диагностирования датчика кислорода, позволяющая установить его работоспособность, используя параметры отработавших газов и полученные взаимосвязи технического состояния датчика кислорода ипараметров газоанализа. За счет этого повышается точность диагностирования, сокращаются потери времени на поиск неисправностей.

27.08.2014

Список литературы:

1. Автомобильный справочник / Пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: ЗАО «КЖИ За рулем», 2004. - 992 с.

2. ГОСТ Р 51709 - 2001. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки. - Введ. 2002. 01. 01. -М.: Изд-во стандартов, 2002. - 37 с.

3. Звонкин, Ю.З. Современный автомобиль и электронное управление / Ю.З. Звонкин. - Ярославль: Изд.-во Ярославского ГТУ, 2006. - 250 с.

4. Лещенко, В.П. Кислородные датчики / В.П. Лещенко. М.: Легион - Автодата, 2003. - 112 с.

5. Пинский, Ф.И. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания / Ф.И. Пинский, Р.И. Давтян, Б.Я. Черняк. - М.: Легион-Автодата, 2004. - 136 с.

6. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту системы управления двигателем ВАЗ-2170 с распределенным впрыском топлива. Тольятти, 2007. - 213 с.

Сведения об авторах:

Гончаров Андрей Алексеевич, доцент кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, е-шаИ: goncharov_osu@rambler.ru

Гончаров Николай Сергеевич, аспирант кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей Оренбургского государственного университета, е-шаИ: nicolas.ff2@mail.ru

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13 240 ВЕСТНИК ОГУ №10 (171)/октябрь2014