Первый автосервисный журнал
Издается с 1997 года

Школа Федора Рязанова. Диагностика дизельных систем с электронным управлением. Урок 1

Школа Федора Рязанова. Диагностика дизельных систем с электронным управлением.  Урок 1

Биографическая справка

Рязанов Федор Александрович

1980 год – окончил МВТУ им. Баумана (факультет «Приборостроение»).

1980–1990 годы – работа в инженерной службе Тихоокеанского флота (г. Владивосток)

С 1990 года – работа в различных автосервисах (специализация – автомобили японского производства).

С 2006 года – преподаватель Школы диагностов «ИнжекторКар» (г. Москва).

С 2008 года – совмещение преподавательской деятельности с практической работой техническим консультантом по дизельным системам в техцентре «ИнжКар» (специализация – автомобили немецкого производства).

2016 год – получение сертификата технического тренера DELPFI.

Участник различных слетов диагностов, на ряде которых выступал докладчиком.

Принимал участие в съемках передачи ОРТ «Среда обитания» – «Левый автосервис».

Участвовал в написании книги «Диагностика японских автомобилей».

Автор многих публикаций в периодических изданиях и на ряде сайтов в интернете.

Дизельные двигатели прочно вошли в нашу жизнь. По сравнению со своим бензиновым собратом имеют больший крутящий момент, при меньших расходе топлива и выбросах в атмосферу. Если на легковом транспорте (особенно в США) доля дизельных двигателей до недавнего времени была невелика, то сегодня этот процент неуклонно растет. Так же невозможно себе представить бензиновый двигатель на коммерческом транспорте, строительной и судовой технике. Но, несмотря на очевидные преимущества, у них имеется ряд недостатков. К самому главному следует отнести сложность конструкции и точность изготовления элементов топливоподающей аппаратуры. Это приводит к более высокой ее стоимости, сложности требуемого стендового оборудования и более высокой квалификации обслуживающего персонала.

Особенности диагностики дизельных систем

Что такое диагностика? Многие это понятие сводят к простому считыванию кодов ошибок. То есть к просмотру неисправностей, обнаруженных электронным блоком управления. Можно добавить, что диагностика – это еще и поиск дефектов в топливоподающей аппаратуре, который осуществляется на участке автосервисного предприятия, оборудованном специальным стендовым оборудованием. Но и это не полное определение процесса диагностики. Более правильные понятия «диагностика» (от него и профессия «диагност») впервые появилось в стандарте OBD2 SAE J1930 и по-английски называлось «The process of identifying the cause or nature of acondition, situation or problem to determine corrective action in repair of automotive systems».

Дословный официальный перевод на русский звучит примерно так: «Процесс идентификации причины или природы создавшихся условий, ситуации или проблемы для определения правильных действий по ремонту автомобиля».

Попробуем сформулировать это определение в более понятной форме.

Диагностика – это:

  1. нахождение дефекта;
  2. нахождение причины его появления;
  3. разработка мер по его устранению.

Таким образом, основным результатом процесса диагностики является нахождение дефекта. Рассмотрим мероприятия, приводящие нас к конечной цели – к его нахождению. Условно их можно разбить на три группы.

Сканирование. Это и есть считывание кодов. Алгоритмы контроля и условия выставления кодов будут рассмотрены ниже, а пока оценим информативность этого метода. Распространенная фраза «У вас нет кодов ошибок – у вас все хорошо», согласно стандарту SAE J1930, к диагностике не имеет никакого отношения. Отсутствие кодов ошибок говорит только о том, что электронный блок управления не обнаружил дефектов в тех системах, которые он контролирует. Верно и обратное – если коды выставлены, это не всегда однозначно указывает на дефект. Но проведение сканирования в условиях выставки кодов позволяет выбрать путь – куда следует направлять свои усилия. Это существенно упрощает достижение конечного результата.

К достоинствам сканирования следует отнести и тот факт, что эта процедура доступна даже специалистам с низкой квалификацией. Стоимость оборудования для проведения сканирования невысока, что делает его доступным широкому кругу людей, даже не связанных со сферой авторемонта. На современном рынке представлено достаточное количество простых устройств, читающих коды ошибок по протоколу OBD2 – начиная от простейших K-L адаптеров, заканчивая устройствами на платформе Android.

К недостаткам таких устройств следует отнести их не очень высокую информативность. На конкретный дефект такое оборудование указывает не всегда – чаще дает лишь общее направление дальнейшего поиска. Принципы построения электронных блоков управления, алгоритмы их работы, условия выставки кодов будут подробно рассмотрены ниже.

Компьютерная диагностика. По существу, это просмотр и анализ тех данных, которые нам выдает сканер. Кроме чтения кодов, важной является информация о текущих параметрах работы двигателя. Ее анализ в большей части позволяет достаточно быстро и достоверно локализовать дефект. Но для проведения правильной компьютерной диагностики требуется специалист более высокого уровня.

Требования (и соответственно цена) такого оборудования (сканер) уже значительно выше. Это делает его недоступным для рядового автовладельца. Но самым «слабым» местом компьютерной диагностики является то, что контролю со стороны блока управления подлежат далеко не все параметры различных узлов и агрегатов. Часть дефектов блок управления «не видит».

Инструментальная диагностика. Данный вид диагностики подразумевает использование дополнительных приборов и приспособлений, позволяющих более детально локализовать дефект, обнаруженный во время проведения сканирования и компьютерной диагностики. Сложность диагностики дизельной техники с электронным управлением заключается в том, что достоверная проверка элементов топливоподающей аппаратуры по всем параметрам, заложенных в тест-планах, возможна только после их демонтажа и тестирования на специальных стендах.

Демонтаж современных форсунок, изготовленных с прецизионной точностью, в большинстве случаев приводит к нарушению их параметров, вплоть до полной потери работоспособности. Стоимость данных узлов часто выражается цифрой с пятью (а порой даже и больше) нулями – поэтому очень важна достоверность постановки диагноза без снятия их с автомобиля. Такой подход носит название безразборной диагностики.

Таким образом, полная диагностика (т.е. нахождение дефекта) состоит, как мы отметили выше, из этих трех слагаемых.

Большинство дефектов, с которыми сталкиваются автосервисы, достаточно однотипны. Условно их можно разбить на несколько групп.

  1. Автомобиль не заводится.
  2. Горит лампочка контроля неисправностей.
  3. Автомобиль имеет сниженную динамику и повышенный расход топлива.
  4. Неровная работа двигателя.

Планы действий диагноста при возникновении дефектов по п. 1 и 2 достаточно стандартны и подробно изложены в соответствующих «мануалах» (инструкциям по ремонту). А нахождение дефектов по п. 3 и 4 вызывает определенную сложность. Чтобы понять причину их возникновения, разберем общие принципы работы автомобиля.

Немного теории

Топливо, заливаемое в бак, – источник энергии. А двигатель – это преобразователь энергии. На входе мы имеем химическую энергию, а на выходе должны получить какое-то количество механической энергии. Прямое преобразование энергии из одного вида в другой пока не представляется возможным. Поэтому в двигателестроении применяется двойное преобразование этих видов.

При сгорании практически любых горючих веществ образуются газообразные продукты сгорания. Как правило, эти газы занимают объем больший, чем изначальный объем сгоревших материалов. Таким образом, при сгорании в замкнутом объеме получаем увеличение давления, которое можно преобразовать в механическую энергию.

Преобразование химической энергии в теплоту осуществляется при сгорании топлива, а последующий переход теплоты в механическую работу осуществляется за счет внутренней энергии рабочего тела, которое, расширяясь, выполняет работу.

Рис. 1. В двигателях внутреннего cгорания применяется двойное преобразование видов
энергии
Рис. 1. В двигателях внутреннего cгорания применяется двойное преобразование видов энергии

Однако кроме увеличения давления при сгорании имеем также и увеличение температуры, другими словами, реакция окисления (горения) имеет экзотермический характер. Это необходимо учитывать при создании конструкции двигателя, использующего принцип расширения при сгорании. Как правило, выделяющееся тепло носит вредный характер, снижая КПД и вызывая усложнение конструкции, но иногда оно оказывается полезным (например, при использовании для обогрева салона с помощью «печки»).

Для такого процесса сгорания можно использовать легковоспламеняемые летучие или газообразные вещества, которые достаточно смешать в нужной пропорции с воздухом, кислород в котором играет роль окислителя. Топливам – а это в основном смеси углеводородов – требуется для сгорания кислород; нужное его количество поступает вместе с входящим воздухом. Есть несколько вариантов, лишь один из которых получил широкое распространение, в основном исходя из требований технологичности, безопасности и невысокой стоимости. Это углеводороды, жидкие в свободном состоянии (поэтому их легко хранить), но легко испаряющиеся (поэтому легко получить горючую смесь). Примеры – смеси углеводородных компонентов (керосин, бензин) или же спирты.

Рис. 2
Рис. 2

Описанный процесс происходит в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), где получающиеся при сгорании газы являются рабочим телом. В двигателях внешнего сгорания отличие состоит в том, что рабочее тело изолировано от процесса сгорания топлива и просто нагревается выделяющимся теплом.

Таким образом, из-за физико-химических особенностей процесса горения углеводородов КПД двигателя, построенного на этом эффекте, не может быть достаточно высоким. В частности, для обычных легковых ДВС КПД не превышает 50%.

При сгорании топлива в камере сгорания химическая энергия вначале превращается в тепловую. Далее полученная тепловая энергия превращается в механическую. Любое преобразование не может идти без потерь – каждый процесс имеет свой КПД. Поэтому любой дефект, связанный с падением динамики и повышенным расходом топлива, а также неравномерность работы цилиндров вызывается двумя причинами: либо топливо сгорает неэффективно, либо получившееся в результате горения тепло неэффективно превращается в механическую работу.

Рис. З. Структурная схема EDC
Рис. З. Структурная схема EDC

За сгорание топлива в двигателях внутреннего сгорания отвечают система топливоподачи и система зажигания. В дизельных двигателях роль системы зажигания берет на себя двигатель – самовоспламенение от высокой температуры при сжатии воздуха в цилиндре. Двигатель также берет на себя функцию подачи воздуха и решает конечную задачу всей системы – получение механической работы. Ужесточение экологических норм потребовало повышения точности работы всех узлов и агрегатов – на дизельных системах, начиная с конца 70-х – начала 80-х годов прошлого века появилась электронная система управления.

Для правильного проведения диагностики (нахождения дефекта, на который жалуется клиент) рассмотрим блок-схему современного дизеля с электронной системой управления.

Рис. 4. Алгоритм поиска
неисправностей
Рис. 4. Алгоритм поиска неисправностей

Как мы видим, дефект может «прятаться в любой из этих систем. Чтобы избежать ненужных и бессмысленных действий при диагностике, следует руководствоваться поговоркой: «Трудно найти черную кошку в темной комнате. Особенно, если ее там нет». На первом этапе поиска дефекта находим систему, работающую некорректно. Это может быть одна из трех систем.

  1. Топливоподающая аппаратура.
  2. Тракт подачи воздуха, включая сам двигатель.
  3. Система электронного управления.

Образно говоря, перед нами три темных комнаты, и черная кошка находится в одной из них. Определив те комнаты, где ее не может быть (корректно работающие системы), все свои усилия направляем на более детальное исследование тех систем, которые работают некорректно.

Данный алгоритм поиска позволяет быстрее достичь цели и не тратить силы и время зря на проведение ненужных проверок.

История создания и развития дизельных систем впрыска

Чтобы понять революционность изобретения Рудольфа Дизеля, надо обратиться к истокам – теории работы поршневых двигателей. Идеей преобразования тепловой энергии в механическую впервые занялся французский физик Карно в XVIII веке. Перед ним стояла задача – создать тепловую машину с наиболее высоким КПД. То есть как, сжигая одну единицу топлива, получить максимально возможное количество механической энергии. Им был разработан оптимальный термодинамический цикл, получивший его имя – цикл Карно. Но реализация этого цикла на реальных поршневых двигателях затруднительна. Двигатели поршневого типа, работающие по циклу Карно, на сегодняшний день еще не созданы и работают по менее эффективному циклу.

В цилиндре поршневого двигателя находится определенное количество горючей смеси. При ее сгорании выделяется определенное количество тепла. Поскольку количество газа (он носит название «рабочее тело») постоянно, рост температуры и давления на поршень прямо пропорциональны друг другу. Из школьного курса физики мы помним – совершаемая работа А при перемещении поршня L при приложении к нему усилия F равна:

А = F·L.

Усилие, прикладываемое к поршню, равно давлению над поршнем Р, умноженному на его площадь S:

F = P·S.

Величина площади поршня S, умноженная на его перемещение L, есть не что иное, как изменение объема над поршнем (V1–V2). Таким образом, величина получаемой механической работы равна:

A = P·(V1 – V2).

Рассмотрим график изменения давления в зависимости от объема над поршнем. Данный график называется «индикаторная диаграмма». Площадь под этим графиком наглядно показывает количество механической энергии, вырабатываемой двигателем.

При движении поршня вниз объем над поршнем увеличивается – давление падает. Усилие, прикладываемое к поршню, и крутящий момент также уменьшаются.

Рис. 5. Термодинамический цикл поршневого двигателя
Рис. 5. Термодинамический цикл поршневого двигателя

Изменение объема над поршнем, определяемое площадью поршня и его ходом (удвоенным радиусом кривошипа коленвала), есть величина постоянная и задается конструкцией двигателя. Поэтому для повышения эффективности работы двигателя остается один путь – повышение давления над поршнем. Уменьшение объема камеры сгорания (повышение степени сжатия) на форсированном двигателе приводит к тому, что при сжигании одного и того же количества смеси, количество получаемой механической работы становиться больше. То есть на 1 л топлива мы проезжаем большее количество километров (снижается расход топлива) при улучшении динамики (повышение крутящего момента). Тут уместно сделать маленькое отступление: разобрать различие понятий «мощность» и «крутящий момент». Мощность М равна механической работе, совершенной за единицу времени Т:

М = А / Т.

Как повысить мощность двигателя в 2 раза? Достаточно поднять в 2 раза обороты. За одну и ту же единицу времени будет сделано в 2 раза больше рабочих циклов – количество механической энергии поднимется в 2 раза. Но и расход топлива вырастет. Этот путь повышения мощности применяется в автоспорте. Например, обороты двигателя на «Формуле‑1» могут достигать 14 тыс. оборотов в минуту. На обычных автомобилях данный способ приведет к повышенному расходу топлива, что снизит их потребительские свойства с точки зрения покупателей. Как одновременно добиться и повышения мощности, и снижения расхода топлива? Единственный способ указан выше: повышение давления над поршнем, т.е. крутящего момента. Президент Международной федерации автоспорта как-то сказал: «Понятие “мощность” позволяет продавать автомобили, а понятие “крутящий момент” позволяет побеждать на гонках». Верно и обратное – дефорсированный двигатель с малой степенью сжатия не развивает должный крутящий момент – машина «не едет». Для преодоления расстояния между точками А и Б водитель вынужден сильней нажать педаль акселератора – как следствие, получает повышенный расход топлива.

Рис. 6. Величина получаемой механической энергии равна давлению над поршнем, умно-
женному на его ход
Рис. 6. Величина получаемой механической энергии равна давлению над поршнем, умно- женному на его ход

При создании первых поршневых двигателей внутреннего сгорания встал вопрос выбора топлива, на котором они будут работать. Существующие в то время паровые машины, работающие на угле, имели не слишком высокую отдачу и большие габариты. Выбор пал на бензин – наиболее доступный вид топлива. Продавался в аптеках и служил средством для выведения паразитов. Но у бензиново-воздушной смеси обнаружился один серьезный недостаток – склонность к детонации. Чтобы понять суть этого явления, рассмотрим, как горит смесь в бензиновом двигателе. Молекулы углеводородов, входящих в состав бензина, являются достаточно длинными. Процесс их горения не является быстрым и в условиях ограниченного времени от начала воспламенения до момента открытия выпускного клапана не всегда возможен. Поэтому под действием высоких давлений и температур в камере сгорания на такте сжатия происходит пиролиз – разложение длинных молекул на более короткие. Получается смесь различных веществ, имеющих разную температуру воспламенения. При правильном горении фронт пламени распространяется от свечи зажигания до всех участков камеры сгорания в зависимости от состава смеси, со скоростью 20–40 м/с. Но при больших давлениях и температурах участки смеси с более низкой температурой воспламенения начинают гореть во всем своем объеме. Возникает как бы «мини-взрыв» со скоростью движения ударной волны до 1 км/с (три скорости звука!). Смесь начинает детонировать. Детонация вклад в получение механической работы не вносит. Ударная волна действует очень короткое время – перемещение поршня за это время практически нулевое. А вот разрушение элементов двигателя (поршень, тарелки клапанов, свечи зажигания) гарантировано. Поэтому степень сжатия двигателя, работающего на бензине, ограничена. Правильно спроектированный двигатель работает на грани с детонацией, и путей повышения эффективности его работы нет. Как обойти это «проклятие» бензиновых силовых агрегатов? Основная идея молодого немецкого инженера Рудольфа Дизеля заключалась в том, что сжимать следует не топливно-воздушную смесь, а чистый воздух. Его можно сжимать до очень больших величин без риска детонации, а топливо впрыскивать в камеру сгорания в самый последний момент.

Рис. 7. Получаемая механическая работа равна площади под индикаторной диаграммой
Рис. 7. Получаемая механическая работа равна площади под индикаторной диаграммой

Началом истории появления дизельного двигателя следует считать 28 февраля 1892 года. Рудольф Дизель подал заявку на изобретение «нового рационального теплового двигателя», а 23 февраля следующего, 1893 года, получил немецкий патент № 67207 на «Рабочий процесс и способ конструирования двигателя внутреннего сгорания для машин». Увы, первый экспериментальный двигатель – махина весом в 4,5 т была оснащена трехметровым маховиком – взорвался, чудом не убив никого из рабочих и инженеров аугсбургской фабрики. Но уже через пять месяцев, в январе 1895 года, двигатель Дизеля работал целую минуту и при 88 оборотах развил 13,2 л. с. Работы продолжались, и в конце 1895 года мотор «с воспламенением от сжатия системы Дизеля» работал без перерыва 17 суток. А еще через два года новый двигатель можно было без опаски показывать широкой публике. Агрегат высотой в три метра развивал 172 об/мин и при диаметре единственного цилиндра 250 мм и ходе поршня 400 мм «выдавал» от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя 258 г нефти на 1 л. с. в час. При этом термический КПД составлял 26,2% – вдвое выше, чем у паровой машины. Но Рудольфу Дизелю, несмотря на ряд патентов и выгодных контрактов по всему миру, не удалось внедрить свое изобретение в серийное производство. По настоящему «вдохнуть вторую жизнь» (по словам самого Рудольфа Дизеля) в его изобретение удалось другому немецкому промышленнику, Роберту Бошу. Приступив в 1922 году к доработке изобретения Дизеля, в 1927 году фирмой BOSCH был выпущен первый серийный ТНВД. На сегодняшний день фирма BOSCH является безусловным лидером в разработке дизельных систем впрыска. Но антимонопольное законодательство запрещает наличие на рынке одного монополиста – в качестве конкурента на европейском рынке выступила фирма Siemens. В большинстве случаев там используют разработки фирмы BOSCH и имеют схожую идеологию построения систем впрыска. Отличия заключаются в ряде конструктивных решений и ценовой политике. Также в Европе до недавнего времени элементы дизельных систем впрыска производила британская фирма Lucas. Она имела часть разработок, отличных от разработок фирмы Bosch. Работа с дизельными системами впрыска этой фирмы имеет ряд сложностей, связанных в основном с необходимостью приобретения специального оборудования. Но финансовые трудности вынудили ее сократить выпуск своей продукции, и на рынок вышла фирма Delphi. Ее продукция также имеет отличия от изделий фирмы BOSCH, но имеет более низкую цену, и Delphi позволяет тестировать свои изделия на более распространенном оборудовании. На азиатском рынке лидирует японская фирма DENSO. В большинстве случаев она пользуется разработками фирмы BOSCH, основное внимание уделяет технологии изготовления. Также на японском рынке присутствует дочерняя компания фирмы BOSCH Zexel. На американском рынке лидером в производстве дизельных систем является фирма Stanadyne. У нее есть свои собственные разработки, тестирование данных систем имеет ряд отличий и требует применения специального оборудования.

Продолжение следует

  • Федор Рязанов, преподаватель, технический тренер

Адрес редакции

111033 Москва, ул. Самокатная, 2а, стр.1, офис 313

На карте

Контакты

Тел.: (495) 361-1260

E-mail: отправить письмо

Социальные сети

Журнал «АБС-авто» © 2018, все права защищены