Розробка та реалізація методу автоматизованого діагностування системи запалювання автомобільного двигуна на основі порівняння спектрів сигналів

де  – кількість вибірок реалізації;   – частота дискретизації, Гц.

Кількість вибірок   однієї реалізації визначається числом елементів відповідного масиву  . Для проведення подальшої цифрової обробки і дослідження сигналу необхідно визначити усереднені реалізації іскроутворення в кожному циліндрі двигуна. При постійній частоті обертів колінчатого вала кількість вибірок окремих реалізацій однакова (  ), і процес усереднення може бути здійсненим за формулою 

 

При змінній частоті обертів колінчатого вала кількість вибірок у першій і другій реалізації різна (  ), при однаковій частоті дискретизації інтервали аналізу також різні (  ). Для можливості використання формули (11) необхідно, щоб кількість вибірок у першій і другій реалізації була однаковою. Для виконання цієї умови виконується зміна частоти дискретизації отриманих реалізацій і приведення їх до однієї базової кількості вибірок  . 

Процес зміни частоти дискретизації виконується в два етапи: перший етап (інтерполяція) – збільшення частоти дискретизації в ціле число разів, рівне новій кількості вибірок  ; другий етап (проріджування) – зменшення частоти дискретизації в ціле число разів, рівне поточній кількості вибірок  . Таким чином, нова частота дискретизації для кожної окремої реалізації буде знайдена за формулою

 

Частота дискретизації сигналу повинна, щонайменше вдвічі перевищувати максимальну частоту його гармонік, тому, після зміни частоти дискретизації, сигнал напруги необхідно пропустити через фільтр нижніх частот з частотою зрізу рівною:

 

По мірі надходження цифрового сигналу іскроутворення в пам’яті ПК накопичуються пакети реалізацій для кожного циліндра, для яких виконується зміна частоти дискретизації, всі вони приводяться до однієї бази (з кількістю вибірок  ) і усереднюються. Перед процедурою усереднення з кожного пакета реалізацій вилучаються аномальні реалізації, причина появи яких пояснюється наявністю зовнішніх завад при зчитуванні сигналу.

Згідно з розробленою математичною моделлю, для описання її параметрів, визначається спектральна щільність потужності усереднених реалізацій іскроутворення для кожного циліндра двигуна. Для визначення СЩП використовується непараметричний метод Уелча, який передбачає розподіл реалізації, що досліджується на   сегментів, які перекриваються. Для кожного сегмента, який помножується на вагову функцію   (вікно Хемінга), визначається модифікована періодограма  , після чого всі періодограми сегментів усереднюються

 

де   – кількість вибірок реалізації сигналу.

Для визначення впливу несправностей системи запалювання на окремий діапазон частот використовується смуговий цифровий фільтр, який дає можливість розглядати поведінку графіка СЩП в діапазоні смуги пропускання фільтра. 

Аналіз частотного спектру сигналу напруги передбачає визначення оптимальних меж діапазонів частот, в яких будуть виконуватись дослідження. Це можна обґрунтувати тим, що складові гармоніки сигналу напруги системи запалювання знаходяться тільки у визначених діапазонах, а не обґрунтоване збільшення меж цих діапазонів призведе до збільшення об’ємів розрахунків.

Процес горіння іскри складається з ємнісної та індуктивної фази. Ємнісна фаза триває кілька мікросекунд. Індуктивна фаза набагато триваліша (1–2 мС). Експериментально, з використанням аналогового осцилографа С1-114 визначено, що основні частотні гармоніки, які складають інтерес для діагностування, містяться в індуктивній фазі в діапазоні частот від 5 до 60 кГц. Частота дискретизації сигналу   вибирається з умови адекватності представлення аналогового сигналу його дискретними вибірками. Частота дискретизації вибрана 125 кГц, вдвічі більшою максимальної частоти гармонік індуктивної фази. 

Використання запропонованого методу діагностування системи запалювання може бути здійснене при виконанні деяких граничних умов, які передбачають правильність функціонування синхронізуючого імпульсу, який керує первинною обмоткою котушки запалювання. В процесі діагностування також враховуються супутні фактори, які можуть впливати на характер зміни напруги первинного кола системи запалювання. До таких факторів відносяться: тиск в камері згоряння, температура робочої суміші, якість робочої суміші, режим роботи двигуна. Процедури визначення граничних умов та врахування супутніх факторів здійснюються стандартними функціями мотор-тестера в автоматичному режимі, але без застосування методів спектрального аналізу.

На базі математичної моделі розроблені алгоритми діагностичних процедур на всіх етапах процесу діагностування. Алгоритми працюють в діалоговому режимі і орієнтовані на автоматизацію визначення технічного стану системи запалювання.

У четвертому розділі описана методика експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження проводились з використанням, розробленого автором, цифрового аналізатора систем автомобіля "Автотест". В якості контрольних застосовувались стандартні засоби діагностики: діагностичний комплекс "Спрут-тестер", аналоговий автотестер К-484, осцилограф Э-206, осцилограф С1-114. Серія експериментів проводилась двома методами:

Безмоторний метод. Дослідження проводились на спроектованих діючих моделях різних типів систем запалювання та систем керування двигуном. Умови роботи системи запалювання на розроблених моделях максимально наближені до реальних. Безмоторний метод досліджень дав можливість налагодження і перевірки достовірності функціонування запропонованих методу та алгоритмів. 

Моторний метод. Дослідження проводились на автомобілях з різними типами систем запалювання на різних режимах роботи двигуна. Дослідження моторним методом дало можливість експериментально перевірити запропонований метод діагностування в реальних умовах експлуатації автомобіля. Для експериментальних досліджень вибрано автомобілі з типовими системами запалювання: автомобіль ВАЗ-2107 (контактна система запалювання); автомобілі ВАЗ-2108, ЗАЗ-1102 (безконтактна система запалювання з датчиком Хола); автомобіль "Opel Senator" (система керування двигуном "Bosch Motronic"); автомобіль ГАЗ-3110 (мікропроцесорна система запалювання без розподільника). Основними критеріями, що впливали на вибір об’єктів дослідження приймалися розповсюдженість в експлуатації і різновидність типів систем запалювання. 

Сигнали напруги зчитувались з справної системи запалювання та при моделюванні різних типових несправностей, таких як: обрив ПВН, пошкодження ізоляції ПВН, неправильний іскровий зазор, замаслення свічки запалювання, пошкодження обмоток котушки запалювання та ін.