Диагностика автомобилей
Тот уровень технологий и рыночной конъектуры, на которых достаточно прочно стояла наша автомобильная промышленность в начале 80-х годов является историческим прошлым. В сегодняшней реальности продукт, который может предложить наша научная школа, объективно не конкурентоспособен. Под продуктом нужно рассматривать не только сами автомобили, но и кадры, которые их проектируют, создают для них материалы, организуют производство. Причину, по которой наши автомобили занимают значительный сегмент Российского автомобильного рынка, нужно искать не в объективных достоинствах автомобилей, а в проблемах нашего населения. В случае повышения жизненного уровня наших граждан уровень поддержки отечественного автопроизводителя будет снижаться. Автомобиль является итоговым звеном всей производственной цепочки. Для поддержания на плаву всей этой цепи государство затрачивает определённые средства, но простое воспроизводство морально устаревших кадров и машин бессмысленно. Для изменения этой ситуации нужны специалисты, способные создать принципиально другие условия и получить принципиально другой результат. Для подготовки этих специалистов нужны соответствующие учебные заведения. То есть начинать нужно с научно-технической школы, но она в нашей стране теряет поддержку граждан. Одним из сегментов научно-технической школы, который на себе особенно остро ощущает снижение популярности среди населения, как раз является наше машиностроение. Специальности машиностроения стали считаться бесперспективными, люди не хотят связывать с ними свою жизнь. По тем или иным причинам, в основном экономическим, в 90-е годы из машиностроения ушло много молодых, перспективных специалистов, которые должны были обеспечить преемственность поколений. Сейчас в соответствующие ВУЗы поступают, в основном, посредственные молодые люди, которые не только не могут привнести в науку ни чего нового, но и не могут сохранить лучшее, что имелось в прошлом. И, если в большинстве развитых стран мира, автомобилестроение шло в ногу с научно-техническим прогрессом, то в нашей стране из-за застоя 80-х и глобального кризиса 90-х годов, отечественная научная школа находится в крайне сложном и запутанном положении. Получается замкнутый круг – отставание технологий приводит к неконкурентоспособности выпускаемых автомобилей – это приводит к сворачиванию финансирования перспективных конструкторских решений – это приводит к утечке «мозгов» из данной отрасли – это приводит к дальнейшему отставанию технологий. Размыкать этот круг нужно начинать с решения кадрового вопроса – если в нашей стране (имеется ввиду в рамках отечественной технологической цепочки) нет серийного высокотехнологичного производства, то нет и соответствующих разработок, нет процесса регенерации кадров. Тут нужно особо отметить, что открывающиеся на территории России высокотехнологичные производства зарубежных фирм не являются предпосылками к возрождению отечественной школы машиностроения. Российский специалист, став сотрудником зарубежной компании, становится звеном технологической цепочки этой компании, а сама компания совершенно не заинтересована в создании себе конкуренции, передавая прогрессивные технологии России. Поэтому на сотрудников зарубежных компаний, имеющих доступ к важной информации, распространяется соглашение о конфиденциальности. Следовательно, чтобы у нас появилась возможность сократить технологический разрыв, в несколько десятилетий шириной, нужно начинать с изучения зарубежной высокотехнологичной продукции в рамках соответствующих учебных заведений. Это должно вывести на принципиально более высокий уровень и сами учебные заведения и их выпускников. Это в свою очередь даёт шанс на то, что при правильном менеджменте и финансировании удастся воссоздать конкурентное отечественное машиностроение. Критерием адекватности учебного процесса современным реалиям является способность выпускников учебного заведения к самостоятельной работе с зарубежными образцами высокотехнологичной промышленности.
Возвращаясь к ДВС нужно отметить, что фундамент в виде теории рабочих процессов, термодинамики, газовой динамики, заложенный в основу двигателестроения в 40-е – 70-е годы прочен, и оснований для его пересмотра нет, а инструменты, при помощи которых велся контроль процессов, сопровождающих работу двигателя были обусловлены уровнем развития техники того времени. Скачок, который продемонстрировала электронно-вычислительная техника за последние два десятилетия, сделал легкодоступными такие методики исследования ДВС, о каких раньше инженеры могли только мечтать. Изменения в системах управления двигателем также в значительной степени способствуют компьютеризации процесса мониторинга рабочих процессов в ДВС. И, если говорить об изучении в рамках ВУЗа высокотехнологичных зарубежных образцов в области испытания ДВС, то под этим нужно понимать мониторинг процессов, происходящих в двигателе, алгоритмы управления двигателем на различных режимах.
Что представляет сейчас из себя современный автомобильный двигатель, как объект для исследования в рамках ВУЗа? С точки зрения исследователя, это система, полностью управляемая микроконтроллером. В различных двигателях реализованы различные схемы осуществления рабочего процесса, по возможностям управления им – современные автомобильные двигатели довольно сильно отличаются друг от друга, но общим остаётся факт, что всё, чем можно управлять, управляется микроконтроллером. И, если раньше для измерения таких показателей работы двигателя, как расход топлива, расход воздуха, частота вращения коленчатого вала, угол опережения зажигания приходилось изобретать хитрые приспособления, то сейчас все эти показатели можно получить, обсчитав сигналы информационных датчиков и управляющие воздействия на исполнительных органах. При этом получаются не усреднённые значения, а мгновенные, что во многих случаях значительно более информативно. Имея мгновенные показатели, получить средние не представляет большого труда – нужно просто просуммировать мгновенные. Следующий вопрос, который возникает перед исследователем, это система координат, в которой можно наиболее информативно расположить полученные данные. Вполне логично, что процессы, растянутые во времени, имеют в качестве аргумента время. Все процессы, происходящие в ДВС и регистрируемые в моторном жгуте при помощи АЦП, имеют непосредственную временную привязку. Но для правильного структурирования этих процессов нужно выбрать событие, которое является определяющим работу ДВС. Таким событием удобно выбрать начало рабочего хода. Если к временной шкале привязать начало рабочего хода в каждом цилиндре, то получится шкала, однозначно связанная с происходящими в двигателе процессами. При этом такие параметры, как цикловая подача, угол опережения зажигания, эффективность рабочего хода, для визуализации логично привязать к началу рабочего хода в соответствующем цилиндре. Ещё один важный параметр работы двигателя – мгновенная частота вращения. В большинстве систем управления двигателем положение коленчатого вала определяется по инкрементному колесу с точностью до 6 градусов. Если определить время (в отсчётах АЦП), за которое вал провернулся на эти 6 градусов, то величина, обратная этому времени, будет угловой скоростью на протяжении этих 6 градусов. Наиболее сложной, но решаемой, задачей при расчете мгновенной угловой скорости является правильное нахождение границы угла поворота на 6 градусов инкрементного колеса.
Какую ещё информацию можно получить, анализируя сигналы моторного жгута? Это зависит от того, чем можно управлять в рассматриваемом двигателе. В современных зарубежных двигателях внутреннего сгорания, помимо управления углом опережения зажигания и составом смеси, управляют фазами газораспределения, высотой и длительностью открытия впускных клапанов, изменением резонансного объёма впускного тракта. Если это бензиновый двигатель с непосредственным впрыском, то управляют воздушным вихрем в цилиндре двигателя, моментом и давлением подачи топлива. Для отечественной школы моторостроения возможность управления этими элементами известна, на эти темы было написано много научных работ, но в серийном производстве это не было реализовано и алгоритмы управления всеми этими исполнительными органами не являются достоянием широких масс. До студентов доводится информация, что двигатели с таким управлением существуют, но лабораторные работы, направленные, например, на снятие ХОР по фазам газораспределения, аналогичные регуляторным характеристикам по углу опережения зажигания и составу смеси, отсутствуют. Автомобили, в которых используется управление всеми вышеперечисленными элементами, не первый год ездят по нашим дорогам, но информация о том, как они работают, в специализированных учебных заведениях отсутствует!
Для мониторинга влияния всех управляющих работой двигателя воздействий нужно иметь обратную связь по давлению в цилиндре в каждый момент времени. Особенно это актуально при изучении процессов газообмена. Для проведения индицирования двигателя на всех режимах работы достаточно установить в него вместо штатных свечей зажигания датчики, сочетающие в одном корпусе свечу зажигания и датчик давления в цилиндре. Результатом обработки сигнала таких датчиков является индикаторный крутящий момент двигателя, который вместе с мгновенной угловой скоростью коленчатого вала является одним из основных показателей работы ДВС. (потери на газообмен в таком случае приходится относить к индикаторным потерям).
Имея ввиду всё вышеизложенное, группа инженеров кафедры Т и АТД МАДИ поставила перед собой задачу создать исследовательски-диагностический комплекс, позволяющий детально анализировать процессы, сопровождающие работу двигателя. Уже сейчас разрабатываемый комплекс позволяет получать в удобном для анализа представлении очень интересную информацию об алгоритмах управления двигателем, производить мониторинг различных режимов работы двигателя. Помимо исследовательских работ этот комплекс можно использовать и на СТОА в качестве диагностического мотортестера. Но для широкого внедрения разрабатываемого комплекса имеется существенное затруднение – для работы с ним нет достаточного количества квалифицированных специалистов. Сейчас этот комплекс используется при обучении студентов кафедры Т и АТД, и можно рассчитывать на то, что после завершения ими обучения в институте, они смогут найти этому комплексу широкое применение.
Эти факторы должны способствовать процессу изменения и в нашей стране стандартов в области представления показателей работы ДВС.
