Методика оценки технического состояния гибридных силовых установок автомобилей

На правах рукописи

РАКОВ Вячеслав Александрович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ГИБРИДНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК АВТОМОБИЛЕЙ

Специальность 05.22.10 – эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный

технический университет» (ВоГТУ)

на кафедре автомобилей и автомобильного хозяйства

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Александров Игорь Константинович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Капустин Александр Александрович
	кандидат технических наук, доцент Егоров Алексей Борисович
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Защита состоится « 15 » марта 2012 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.02 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, г. Санкт-Петербург, ул. Курляндская, д. 2/5, ауд. 340К.

Телефон: (812) 316-58-73, факс: (812) 316-58-72.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «_____» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, доцент С.В. Репин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. Общепринятое название автомобилей с электромеханическими силовыми установками – гибридные (ГСУ), в которых в качестве первичного источника энергии используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС), а вторичным чаще всего является электрический накопитель энергии, сопряженный с электромеханической системой привода ведущих колес [4]. В последние несколько лет число таких автомобилей во всем мире и в России существенно возросло. Тенденция к увеличению производства гибридных автомобилей обусловлена принципиальным повышением требований международных стандартов к экологической безопасности и экономичности транспортных средств (ТС) [5]. В ближайшие годы в России ожидается существенное увеличение числа марок гибридных автомобилей, предлагаемых потребителю европейскими, китайскими, корейскими, а также отечественными автопроизводителями [19]. Рост численности таких автомобилей по статистической информации составляет в среднем 40-50% в год, а общее количество к 2012 году достигнет порядка 18 тыс. штук. Отсюда возникает потребность в коррекции методологии технической эксплуатации современных ТС.

Действующее в России положение о техническом обслуживании транспортных средств не содержит нормативной информации по гибридным автомобилям. В техническом регламенте о безопасности колесных транспортных средств (2009 год) также отсутствуют рекомендации по определению исправного состояния ГСУ. Техническое сопровождение эксплуатируемых на территории Российской Федерации гибридных автомобилей со стороны ведущих автопроизводителей в настоящее время недостаточно организовано. В результате инженерно-технический персонал станций технического обслуживания (СТО) не располагает возможностями для проведения качественного обслуживания и ремонта, а от этого напрямую зависит безопасность участников дорожного движения. К тому же трудности, возникающие в эксплуатации гибридных автомобилей, снижают интерес к ним покупателей, что неизбежно замедлит обновление автомобильного парка перспективными моделями ТС.

Степень изученности проблемы

Для становления методологической базы диагностирования систем автомобилей наиболее ценными являются работы следующих авторов:

– общая методология, изложенная Мирошниковым Л.В., используемая в практике технической эксплуатации, взята в качестве основы при разработке методики оценки технического состояния ГСУ;

• методология расчета базовых параметров ГСУ, разработанная Суриным Е.И., Умняшкиным В.А., Александровым И.К., Васильевым В.А., легла в основу математической модели, служащей для определения опорных значений диагностических параметров.

Кроме этого в работе использован опыт, реализованный в практике оценки технического состояния ГСУ автомобилей.

Оценка технического состояния и поиск неисправностей ГСУ (по результатам сканирования электронной системы управления) в настоящее время выполняется методом поэлементной проверки, что не обеспечивает высокое качество диагностирования, проявляющееся в дополнительных трудозатратах и сложности процесса диагностирования. Недостаточный уровень достоверности при постановке диагноза приводит к ошибкам во время ремонта и повреждению дорогостоящих элементов гибридного привода. Ремонтные работы усложняются из-за отсутствия необходимого диагностического оборудования.

В реальных условиях эксплуатации автомобилей как в России, так и за рубежом при диагностировании технического состояния ГСУ чаще всего используется бесстендовый метод. При этом в качестве основных диагностических приборов применяют: мотор-тестер для ДВС, сканер ошибок электронной системы управления ГСУ, осциллограф, тестер высоковольтной части электропривода.

Обобщая существующий опыт, можно сделать вывод о том, что разработчики средств диагностирования ГСУ идут путем раздельного контроля технического состояния систем ДВС и электропривода, не предусматривая при этом оценки их взаимосвязанной работы.

Наиболее распространенными в России являются автомобили с ГСУ смешанного типа (примерно 80%). Информация об отказах ГСУ и причинах их появления недостаточно изучена и практически не систематизирована. Поскольку именно схема смешанного типа наиболее распространена и представляет наибольшую сложность для диагностирования, ей уделено наибольшее внимание при разработке методики.

В смешанной схеме ГСУ мощность, вырабатываемая ДВС, может передаваться на колеса автомобиля в зависимости от режима движения двумя потоками: механическим, через устройство распределения мощности, и электрическим, через электромоторы-генераторы (МГ) и высоковольтную батарею. Для создания мощности на ведущих колесах двигатель внутреннего сгорания и высоковольтная батарея могут работать как раздельно, так и совместно, что затрудняет оценку технического состояния ГСУ.

Целью диссертационной работы является разработка методики, повышающей качество диагностирования и технического обслуживания ГСУ автомобилей.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

– определение комплекса методических задач для возможности применения действующей методологии при оценке технического состояния ГСУ;

– обоснование выбора диагностических параметров для оценки технического состояния ГСУ;

– разработка методики (алгоритма) оценки технического состояния ГСУ автомобилей;

– разработка математической модели вычисления эталонных значений диагностических параметров при определении технического состояния элементов ГСУ;

– установление факторов, влияющих на результаты оценки технического состояния ГСУ;

– оценка адекватности разработанных алгоритмов реальным процессам, происходящим в ГСУ автомобиля;

– разработка и изготовление экспериментальной установки и средств диагностирования;

– разработка алгоритма поиска неисправностей ГСУ автомобилей с использованием методики;

– технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения разработанной методики.

Для достижения поставленной цели используются следующие методы исследования:

– моделирование функциональных параметров элементов ГСУ в различных динамических режимах;

– оценка технического состояния ГСУ для вычисления эталонных значений диагностических параметров с использованием математического моделирования процессов функционирования ГСУ с последующей алгоритмизацией и разработкой программ в средах MathCAD и Excel [8].

Методика оценки технического состояния ГСУ апробирована в лабораторных условиях на экспериментальной установке и при испытаниях гибридного автомобиля Toyota Prius NHW11. В ходе экспериментальных исследований циклы разгонов-торможений ГСУ задаются с помощью программного обеспечения Omron CX-Drive. Измерение и запись текущих параметров осуществлена с использованием программного обеспечения L-Graph и измерительной системы L-Card. Оценка достоверности математической модели проведена методом сравнения вычисляемых диагностических параметров с аналогичными значениями, установленными заводом-изготовителем автомобиля Toyota Prius.

Объект исследования – методики оценки технического состояния гибридных силовых установок автомобилей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– разработана методика оценки технического состояния ГСУ автомобилей, которая отличается от известных методик тем, что одновременно оценивает работу двух потоков мощности – от ДВС и высоковольтной батареи (ВВБ) гибридного привода;

– разработан соответствующий алгоритм, реализованный в программной среде MathCAD и Excel, обеспечивающий вычисление эталонных значений диагностических параметров для заданных условий тестирования [2,3];

– разработаны алгоритм поиска неисправностей и практические рекомендации о способах оценки технического состояния элементов ГСУ;

– обоснована рациональная программа проведения технического обслуживания (ТО) гибридного автомобиля Toyota Prius в российских условиях эксплуатации;

– разработана, изготовлена и апробирована экспериментальная установка, способная быть полезной в практике технической эксплуатации автомобилей с ГСУ, а также в процессе обучения студентов и бакалавров вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» [13].

Практическая ценность работы заключается в возможности практического использования разработанной методики на станциях технического обслуживания для повышения уровня достоверности при постановке диагноза, а также качества технического обслуживания ГСУ автомобилей.

Срок окупаемости капитальных вложений во внедрение разработанной методики и рекомендуемого диагностического оборудования, определенный с учетом темпа роста количества обслуживаемых гибридных автомобилей, составит 3,5 года.

Изготовленная экспериментальная установка используется в образовательном процессе при обучении специалистов и бакалавров в Вологодском государственном техническом университете (акт внедрения) и рекомендована для обучения инженеров-диагностов на СТО.

Апробация и внедрение результатов. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Вологодского государственного технического университета. Основные положения и результаты работы докладывались на 3 международных [10, 12, 13] и 7 всероссийских [11, 14, 15, 16, 17, 18, 19] научно-технических конференциях в 2008-2011 гг.

Материалы диссертационной работы были представлены на международных выставках, по результатам которых получены: серебряная медаль Девятого Московского международного салона инноваций и инвестиций (2009 год); золотая медаль выставки «Innovations for investments to the future» Американо-Российского делового союза (ARBU) (2009 год).

Разработанная автором методика испытана и рекомендована к применению ООО «Перспективные энергосберегающие технологии» в г. Вологде. Результаты работы внедрены в образовательный процесс в Вологодском государственном техническом университете.

В рамках данной работы выполнена НИР «Научно-техническое обоснование и разработка методики тягового расчета ТС с учетом адаптивности тягового двигателя в целях оптимизации эксплуатационных свойств ТС» по заказу вологодской машиностроительной компании ОАО «Транс-Альфа». Получен патент [9].

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ общим объемом 1,5 п.л., в т.ч. 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрирован 1 программный продукт.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 104 наименований. Работа в целом изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 27 таблиц.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Выявлен основной недостаток существующих методик оценки технического состояния ГСУ автомобилей, а именно, – они основаны на раздельной проверке цепочек потоков мощности. При этом не учитывается то, что неисправности ДВС, приводящие к ухудшению его эффективных показателей, сопровождаются увеличением нагрузки на высоковольтную батарею, резко снижая ее надежность.

На основе данных, собранных на специализированной станции технического обслуживания «HYBRIDs.ru», был реализован статистический эксперимент, в результате которого выделены основные неисправности систем ГСУ и установлены законы их распределения (рис. 1).

Рис. 1. Закономерности изменения отказов в работе систем ГСУ в зависимости от интервалов пробега.

Наибольшее количество отказов в работе ГСУ вызвано неисправностями ДВС, приводящими к ухудшению таких эффективных показателей, как полезная мощность и расход топлива. При этом недостаток мощности ДВС сопровождается увеличением нагрузки на второй источник энергии – высоковольтную батарею, что резко снижает ее надежность.

Взаимовлияние элементов ГСУ делает применение существующих методов неэффективным, затрудняющим поиск неисправностей, что позволяет сформулировать цель и задачи разработки методики оценки технического состояния при взаимодействии двух потоков мощности: от ДВС и накопителя энергии.

2. Обоснован выбор диагностических параметров для оценки технического состояния ГСУ автомобилей.

Диагностические параметры выбраны на основании анализа рабочих и сопутствующих процессов ГСУ.

Первоначально рассмотрено 8 параметров рабочих процессов и 5 параметров сопутствующих процессов. После оценки по критериям оптимальности, согласно теории технической эксплуатации автомобилей, выбрано 6 параметров, подлежащих дальнейшему анализу.

Для решения задачи постановки диагноза на основе минимально необходимого количества контролируемых диагностических параметров разработаны диагностические матрицы ГСУ. Результаты оптимизации совокупности матриц диагностических параметров сведены в табл. 1.

Таблица 1

Диагностическая матрица ГСУ

Диагностические параметры	Неисправный элемент
	ДВС	ВВБ
1. Запуск двигателя
y5-	0	1
2. Начало движения
y5+	1	0
y5-	0	1
3. Ускорение, движение на подъем
y5+	1	0
y5-	0	1
4. Движение накатом, торможение
y6-	0	1