Применение диагностики для исследования эксплуатационной надежности электронных систем управления двигателем автомобиля Skoda

Современные автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) в подавляющем большинстве оборудованы электронными блоками управления, входящими в электронную систему управления двигателем (ЭСУД). Они позволяют улучшить показатели двигателя и во многом снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Электроника оптимизирует состав топливовоздушной смеси на различных режимах работы мотора, точное дозирование топлива в цилиндры, стехиометрический состав заряда. На существующем этапе производства и эксплуатации автомобилей экологические показатели стали приоритетными, что во многом зависит от исправной системы управления двигателем [1].

В системе управления двигателем в процессе эксплуатации возникают различные повреждения (изнашивание, загрязнение, старение). Эти изменения сказываются на параметрах работы ДВС и в конечном счете приводят к потере работоспособности узла в целом [2].

Решение проблемы поддержания работоспособности ЭСУД предусматривает исследование причин возникновения отказов, их влияния на работу двигателя. Наличие такой информации является необходимым условием сохранения работоспособности ЭСУД в эксплуатации [3].

За последнее время качество, эффективность, мощностные, экономические и экологические показатели автомобилей улучшились, но при этом надежность и долговечность остались на прежнем уровне и зачастую значительно ухудшились. Это объясняется удешевлением сырья, использованием биоразлагаемых материалов с ограниченным сроком службы, повышением требований к экологичности, усложнением конструкции и применением агрегатной замены деталей и узлов при ТО и ремонте [3–5].

Опыт эксплуатации и диагностирования автомобилей на станции технического обслуживания показал, что часть автомобилей эксплуатируются с неисправностями. Многие из них в дальнейшем приводят к отказам различных групп сложности [4–7].

В связи с этим целью исследования является анализ эксплуатационной надежности и оценка технического состояния электронных систем управления двигателем автомобилей с применением компьютерной диагностики.

Обзор литературы

Существующие технологии диагностирования автомобилей с ЭСУД позволяют проводить различные действия для определения параметров функционирования систем и узлов автомобиля. В научных исследованиях ведется активное развитие технологий диагностирования параметров и показателей функционирования ЭСУД. Так, проведен подробный анализ изменения характеристик сгорания топлива в зависимости от изменения параметров впрыска [4]. Данное исследование можно связать с определением пропусков зажигания на автомобилях в зависимости от топливных показателей [5; 6].

Определение параметров работы двигателя возможно при диагностировании по показателям выбросов вредных веществ в выхлопной системе автомобиля. В научных работах показан опыт применения диагностирования по показателям выбросов NOx [8–10]. При этом для анализа выбросов возможно применять различное оборудование, которым определяется как показатель состава выхлопа автомобиля, так и показатели элементов системы ЭСУД. Эффективность определения доказывает актуальность применения данных методов для определения показателей работы ЭСУД автомобиля в целом [11–14].

При этом диагностирование ЭСУД по существующим и разрабатываемым технологиям, включая диагностирование по составу выхлопа, возможно также и на автомобилях с дизельными двигателями [15–17].

В современном мире цифровые технологии применяются и в технологическом оборудовании для диагностирования автомобилей. К примеру, было разработано технологическое оборудование, представленное расходомером с применением микропроцессорной платы. В данном исследовании показана эффективность применения цифровых технологий при диагностировании, так как разработанный расходомер топлива позволяет контролировать эффективность подачи топлива, своевременно обнаруживать скрытые неисправности автомобиля и оценивать качество условий эксплуатации [18].

В качестве применяемого оборудования для диагностирования ЭСУД и других систем автомобиля хорошо зарекомендовало себя технологическое оборудование на основе микропроцессорных плат на базе Arduino Uno с применением современного и редактируемого исходного кода платформы [11–13]. Ранее разработанное технологическое оборудование с применением платформы Arduino Uno показало эффективность применения для диагностирования автомобилей с ЭСУД в условиях технического сервиса [11–13].

Одной из причин, кроме влияния датчиков и устройств из состава ЭСУД, являются возникающие сбои в программном обеспечении электронного блока управления двигателем. В проведенных исследованиях доказано, что наиболее часто возникающая неисправность – это неравномерная работа двигателя в результате сбоя программного обеспечения [16].

Анализ существующих исследований в области диагностирования ЭСУД 238

показал, что имеющиеся технологии диагностирования, основанные на применении диагностических сканеров с протоколом OBDII, во многом неэффективны из-за постоянного совершенствования системы ЭСУД автомобилей. Поэтому исследование причин отказов современных систем управления двигателем с применением эффективных методик диагностирования и одновременного контроля технического состояния систем ЭСУД будет актуальным.

Материалы и методы

Для точной оценки при диагностировании автомобилей должно быть правильно подобрано оборудование (сканеры, цифровые тестеры, мультиметры), чтобы с достаточной точностью определить причины неисправности и не вызвать нарушение в работе системы ЭСУД. Также диагностирование должно проводиться квалифицированными специалистами, имеющими практические навыки работы [6; 7].

Обычно диагностика проводится на специально оборудованных закрытых постах, участках. Наиболее современной является компьютерная диагностика электронных систем управления автомобиля, где выявляются неисправности электроники, подтвержденные кодами неисправности, записанными в память электронного блока управления (ЭБУ).

Источником информации, как правило, является ЭБУ. Подключаясь к ЭБУ с помощью специализированных устройств, сканеров, возможно выявить основные параметры работы систем автомобиля. Фактически ЭБУ выполняет роль внутреннего тестера неисправностей и событий, а сканер интерпретирует эти данные в графическое изображение на экране и представляет их в презентабельном виде [8; 10].

Современные автомобили состоят из большого количества ЭБУ. Программное обеспечение ЭБУ развивается,

Vol. 32, no. 2. 2022 увеличивается внутренний объем памяти, частоты работы процессоров, скорости шин передачи данных и их количество [10].

При диагностировании автомобиля особое внимание необходимо уделить точному описанию выдаваемых кодов неисправностей системами автомобиля. Информация с блоков управления поступает в виде цифрового кода и важно понимать, какая неисправность соответствует данному коду [18–21].

Для оценки надежности современной системы управления двигателем проведены экспериментальные исследования работоспособности ЭСУД автомобиля марки Skoda. Автомобиль записывался на диагностику, предварительно проводились техническое обслуживание (ТО) и компьютерная диагностика. После короткого теста автомобиль снова заезжал на станцию ТО и затем подвергался глубокой диагностике ЭСУД.

Для проведения исследования применялось следующее технологическое оборудование:

• 1.    Диагностические цифровые сканеры для определения неисправностей путем считывания кодов с ЭБУ двигателем, а также для контроля технологических параметров, характеризующих функционирование элементов ЭСУД (ScanDoc, BOSCH KTS, VCDS).

• 2.    Разработанное технологическое оборудование для диагностирования датчиков и топливных систем на основе Arduino Uno [11].

• 3.    Оборудование для определения концентрации вредных выбросов, содержащихся в выхлопе автомобиля (газоанализаторы «Инфракар 5МТ-01»).

• 4.    Дополнительное технологическое оборудование и программное обеспечение.

Экспериментальные исследования были проведены на автомобилях Skoda Octavia с двигателем 1.8 TSI CDAB

152 л.с. Euro5 и CDAA 160 л.с. Euro5. Выборка составляла 60 единиц. Выбор данного автомобиля обусловлен доступностью на рынке и популярностью среди владельцев. Также в регионе доступны дилерские центры данной марки, что также благоприятно сказывается на ее популярности. Предварительно перед проведением исследований замеряли компрессию и проверяли вытяжку цепи газораспределительного механизма.

Результаты исследования

На основе диагностирования и оценки эксплуатационной надежности ЭСУД автомобилей марки Skoda получены результаты исследований надежности основных элементов ЭСУД. Работа выполнялась на станции технического сервиса машин ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» в г. Саранске в период 2019–2021 гг. Результаты исследования надежности системы ЭСУД представлены в таблице 1.

Основные жалобы на работоспособность автомобилей были связаны с повышенным расходом топлива, длительным запуском, снижением мощности. Многие автомобили не имели возможности самостоятельно перемещаться. Им требовалась услуга эвакуатора. Оценку состояния проводили при полностью заряженной аккумуляторной батарее, чтобы избежать погрешностей в измерениях. Дефектацию неисправных и отказавших узлов проводили как инструментальным методом контроля с помощью сканеров ScanDoc (Qantex), BOSCH KTS, VCDS, мотора-тестера Motodoc, так и органолептической оценкой по внешним признакам и проявлениям. Во многих случаях неисправности присутствовали на автомобилях без внешних признаков.

Анализируя результаты исследования, представленные в таблице 1, можно сделать вывод о том, что большая часть отказов конструктивных

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Показатели надежности элементов электронной системы управления двигателем автомобиля Skoda Octavia

Reliability indicators of the electronic engine control system elements of the Skoda Octavia car

Датчик или исполнительный механизм / Sensor or actuator	Причина возникновения отказа или неисправности / Cause of failure or malfunction	Средняя наработка до отказа, тыс. км / Average operating time to failure, thous. km	Доля отказов, % / Failure ratio, %
1	2	3	4
1. Датчик кислорода (Лямбда зонд 1) / Oxygen sensor	Обрыв цепи нагревателя. Снижение эффективности работы чувствительного элемента /	165,2	4,2
(Lambda probe 1) 2. Датчик кислорода (Лямбда зонд 2) / Oxygen sensor (Lambda probe 2)	Heater circuit breakage. Reduced sensing element efficiency Обрыв цепи нагревателя. Снижение эффективности работы чувствительного элемента, в том числе вследствие повреждения каталитического	148,1	6,1
	нейтрализатора / Heater circuit
3. Каталитический нейтрализатор / Catalytic converter	breakage. Reduced sensing element efficiency, including that resulting from the catalytic converter damages Разрушение, снижение эффективности / Destruction, reduced efficiency	175,5	6,2

4. Датчик массового	Снижение эффективности /
расхода воздуха / Mass air flow sensor	Reduced efficiency	148,3	5,3

5. Электромагнитный клапан регулирования фаз / Electromagnetic phase control valve	Износ, повреждение соленоида / Wear, damage of the solenoid	165,4	5,7
6. Электромагнитная топливная форсунка / Electromagnetic fuel	Засорение распылителя, меж-витковые замыкания в цепи катушки / Atomizer clogging,	138,3	4,8
injector 7. Регулятор давления топлива / Fuel pressure	turn-to-turn short circuits in the coil circuit Износ, загрязнение, задиры на штоке / Wear, pollution,	141,6	19,8
regulator 8. Топливный насос / Fuel pump	tearings up on the stock Износ, обрыв цепи проводника / Wear, conductor circuit	112,8	6,6
9. Электронная дроссельная заслонка /	breakage Износ потенциометра / Potentiometer wear	94,4	7,6
Electronic throttle valve 10. Катушка зажигания / Ignition coil	Обрыв цепи обмотки / Winding circuit breakage	96,4	6,4

Окончание таблицы 1 / End of table 1

1	2	3	] 4
11.    Свеча зажигания / Spark plug 12.    Турбокомпрессор / Turbocharger	Износ электродов вследствие повышенного расхода масла. Разрушение или пробой изолятора / Wear of the electrodes resulted from increased oil consumption. Destruction or breakdown of the insulator Износ опорных подшипников / Wear of the support bearings	48,6 125,8	5,8 3,2
13. Клапан регулятор давления наддува / Valve	Нарушение герметичности / Break of tightness	134,4	2,1
boost pressure regulator 14. Электронный блок управления двигателем ECU / Electronic engine control unit ECU 15. Остальные узлы / Other nodes	Перегорание дорожек платы вследствие короткого замыкания в цепях датчиков и исполнительных механизмов / Burnout of the board tracks resulted from short circuit fault in the circuits of sensors and actuators	172,2	2,4 13,8

элементов ЭСУД соответствует исполнительным механизмам системы, имеющим подвижные элементы (электронная дроссельная заслонка, катушка зажигания, топливный насос, регулятор давления топлива). Датчики, измеряющие параметры системы, изнашиваются в меньшей степени [14–16].

Пример нарушения работоспособного состояния топливного насоса высокого давления автомобиля Skoda Octavia с двигателем 1.8 TSI представлен на рисунке 1. На рабочем штоке заметны характерные задиры и повреждения вследствие механического воздействия абразива, скапливающегося на поверхности штока, температурных режимов работы, качества смазочного материала и нарушения целостности уплотнительных элементов.

Определить данное повреждение внешним осмотром, не разбирая узел, не представлялось возможным.

Изношенный шток способствовал утечкам и попаданию топлива в систему смазки двигателя. Происходило разжижение масла и формирование богатой смеси в рабочем пространстве кислородного датчика. На это указывал код неисправности P0172, периодически появляющийся в памяти ЭБУ. При этом заметной потери мощности не наблюдалось, но контроллер информировал через приборную панель о низком среднем часовом расходе топлива и о пере-обогащении топливовоздушной смеси.

При игнорировании данного диагностического сообщения последствия стали бы негативными для состояния двигателя и его остаточного ресурса: слишком жидкое масло привело бы к нарушению смазки в трущихся узлах и повреждению двигателя. Невнимательное отношение к диагностическим сообщениям может стать причиной дорогостоящего ремонта автомобиля.

Р и с. 1. Шток топливного насоса высокого давления BOSCH 0261520472 со следами износа F i g. 1. BOSCH 0261520472 high pressure fuel pump rod with signs of wear

Также оценка технического состояния топливного насоса высокого давления проводилась по параметрам развиваемого давления в режиме холостого хода и повышенных оборотов. Данные параметры сравнивались с табличными значениями, установленными для конкретного типа ЭСУД и версии программного обеспечения. Для топливного насоса высокого давления (ТНВД) BOSCH 0261520472 в режиме холостого хода параметры работы должны соответствовать запрашиваемому системой давлению 40 бар.

Дальнейшие исследования проводились по основным показателям, характеризующим надежность любой технической системы. Наряду со средней наработкой на отказ так же внимание уделялось параметрам вероятности безотказной работы P(t) и интенсивности отказов λ(t) по интервалам наработки. Расчеты этих показателей по результатам исследований эксплуатационной надежности ЭСУД выполнены по всем основным ее элементам с помощью программы Microsoft Office Excel.

В качестве примера в таблице 2 представлены показатели безотказности регулятора давления ТНВД по интервалам наработки.

Графическое представление изменения интенсивности отказов λ ( t ) и вероятности безотказной работы P ( t ) элемента ЭСУД по наработке показано на рисунках 2, 3.

Вероятность безотказной работы элемента находили исходя из выражения для каждого интервала наработки:

P ( t ) = N ( t ) / N ₀ , (1)

где N ₀ – количество изделий, работавших в данный промежуток; N ( t ) – количество исправных изделий в конце отрезка.

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Показатели безотказности регулятора давления топлива по наработке Reliability indicators of the fuel pressure regulator by operating time

Показатель / Indicator	Наработка, тыс. км / Operating time, thous. km
	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
Число отказов n ( ∆t ) / Number of failures n ( ∆t )	2	1	1	2	4	6	16	12	8	8
Интенсивность отказов λ (t), 104 1/тыс.км / Failure rate λ (t), 104 1/thous. km	1,60	1,24	1,10	1,25	1,60	2,20	3,80	4,50	4,80	5,00
Вероятность безотказной работы P ( t ) / Probability of uptime P ( t )	0,97	0,95	0,93	0,90	0,83	0,73	0,47	0,27	0,13	0

Р и с. 2. Изменение интенсивности отказов λ ( t ) регулятора давления топлива по наработке

F i g. 2. Change in the failure ratio λ ( t ) of the fuel pressure regulator by operating time

Анализ приведенной зависимости показал, что после достижения наработки 125 тыс. км интенсивность отказов такого элемента топливной системы, как регулятор давления топлива λ(t), начинает вырастать, а вероятность безотказной работы снижаться до значения P(t) = 0,47.

t , тыс. км / t , thous. km

Р и с. 3. Снижение вероятности безотказной работы регулятора давления топлива по наработке

F i g. 3. Reducing the probability of failure-free operation of the fuel pressure regulator by operating time

К прогнозируемой наработке происходит засорение штока вследствие загрязнения, что приводит к износу штока и в конечном итоге потере работоспособности узла.

Отказы элементов системы управления двигателем оказывают большое влияния на ряд показателей работы (мощность, расход топлива, вредные выбросы в окружающую среду и т. д.). При отказах таких основных элементов, как топливный насос низкого и высокого давления и датчики положения, запуск двигателя блокируется ЭСУД.

Обсуждение и заключение

Для предупреждения отказов ЭСУД при проведении работ по техническому облуживанию и диагностированию автомобилей необходимо выявлять состояние элементов данных систем и при необходимости устранять неисправности.

Согласно рекомендациям производителя автомобиля предусмотрена проверка памяти кодов неисправностей в ЭБУ. При их наличии требуется 244

выполнять необходимые контрольнодиагностические операции. При отсутствии кодов неисправностей ЭСУД признается технически исправной и дополнительные проверки не проводятся. В результате при выполнении технического обслуживания пропускается значительное число не выявленных в ЭСУД скрытых неисправностей, что приводит к росту отказов этих систем в эксплуатации.

По результатам анализа таблиц 1, 2 был сделан вывод, что наименьший ресурсный пробег приходится на свечи зажигания, входящие в состав ЭСУД. При этом наиболее частая неисправность возникает у регулятора давления топлива в топливной системе автомобилей с долей 19,8 % от общего количества. Ресурс данного элемента ЭСУД, определенный в результате вычисления и представленный на рисунках 2, 3, составляет в среднем 125 тыс. км.

Проведенные исследования с использованием компьютерной диагностики позволили оценить состояние ЭСУД

Технологии, машины и оборудование автомобилей Skoda, эксплуатируемых в регионе. На основании анализа причин возникновения отказов и неисправностей даны рекомендации по проведению диагностики системы ЭСУД при посещении станции ТО для предупреждения возникновения сложных отказов и неисправностей по собственной методике оценки с использованием современных сканеров, механических тестеров, специальных диагностических программ и иного оборудования.

Подводя итог, можно сделать вывод, что применение технологий диагностирования с использованием технологического оборудования для определения неисправностей позволяет определять ресурсные показатели элементов ЭСУД. Данная методика является актуальной и эффективной при применении на автомобилях, включающих современные цифровые технологии и электронные системы управления двигателем автомобиля.

Поступила 09.03.2022; одобрена после рецензирования 11.04.2022; принята к публикации 20.04.2022

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Technologies, machinery and equipment 247

Submitted 09.03.2022; approved after reviewing 11.04.2022; accepted for publication 20.04.2022

All authors have read and approved the final manuscript.