Техническая диагностика сложных объектов должна учитывать изменения характеристик самих объектов в эксплуатационных условиях и дать возможность их прогнозирования для выработки правильных методов технического воздействия с целью поддержания исправного состояния самого объекта. Особенно ценным является вариант использования априорно существующей информации по результатам технической эксплуатации подобных объектов [1]. С увеличением сложности объекта и стоимости его восстановления данные требования становятся более актуальными.
Двигатель внутреннего сгорания является сложной динамической системой, которая при принятых допущениях о стационарности его параметров и линейности характеристик описывается системой дифференциальных уравнений. Принятые при этом динамические характеристики адекватно описывают его текущее состояние и могут служить в качестве диагностических параметров при определении остаточного ресурса [2]. При этом очень важным является алгоритм получения значений диагностических параметров и методы их обработки. В настоящее время наряду с традиционными методами все большую популярность находят методы виброакустической диагностики [3, 4] и вейвлет-анализа сигналов [5–7].
Одним из распространенных методов идентификации динамических систем является метод переходных функций [8, 9]. Учитывая зависимость переходных функций двигателя не только от его конструктивного технического состояния, но и от параметров рабочего процесса внутри цилиндра, необходимо рассматривать реакцию как самого двигателя, так и его систем [10, 11]. Необходимо выбрать диагностические параметры, которые учитывают техническое состояние систем топливо- и воздухоподачи, а также состояние цилиндро-поршневой группы.
Рассмотрим выбор диагностических параметров для безразборной диагностики двигателя на основе переходных функций его систем.
Согласно уравнению динамики изменение частоты вращения коленчатого вала определяется через изменение крутящего момента двигателя выражением
(1)
где ?Me – приращение крутящего момента двигателя;
?Mс – приращение момента сопротивления на валу двигателя;
I – приведенный к коленчатому валу момент инерции подвижных деталей двигателя;
ω – угловая скорость коленчатого вала.
Если примем ?Mс = 0, то изменение частоты вращения коленчатого вала в переходном процессе описывается уравнением
(2)
Известно, что развиваемый двигателем крутящий момент Me зависит как от технического состояния двигателя, так и организации рабочего процесса в цилиндрах, а более точно – от подачи топлива gц и воздуха Gв. Выбор диагностических параметров технического состояния двигателя производим на основании допущения, что крутящий момент двигателя зависит от качества и величины подаваемых в цилиндры воздуха и топлива, а также компрессии k в самом цилиндре. Подача воздуха в цилиндр двигателя определяется в первую очередь состоянием воздушного фильтра, который оценивается разряжением во впуском коллекторе Pв (степень загрязненности воздушного фильтра) и компрессии в цилиндре, а подача топлива в эксплуатационных условиях определяется регулировочными параметрами топливоподающей аппаратуры – давление впрыска топлива форсунки Pф, а также зависит от наработки двигателя l.
Если принять данные зависимости за основу:
(3)
Разложения функций Me, Gв, gц в ряды, дают следующие выражения:
(4)
(5)
где период изменения исследуемых величин находятся в пределах:
– для ?Pв, ?Gв: l ≤ lТО возд.,
– для ?Pф, ?gц: l ≤ lТО топл.,
– для ?k, ?l: l ≤ lресурс к.р..
lТО возд. – периодичность технического обслуживания системы воздухоподачи, мото-ч,
lТО топл. – периодичность технического обслуживания системы топливоподачи, мото-ч,
lресурс к.р. – ресурс до капитального ремонта.
После преобразований получаем уравнения, которые характеризуют переходную функцию всего двигателя в зависимости от его технического состояния и технического состояния его систем:
(6)
(7)
Коэффициенты 
и 
характеризуют влияние на изменение крутящего момента двигателя законов и параметров подачи воздуха и топлива, они в процессе эксплуатации меняются с периодичностью технического обслуживания этих систем. Коэффициенты 
и 
показывают изменение показателей воздухо- и топливоподачи в процессе эксплуатации, которые меняются с периодичностью технического обслуживания этих систем. Коэффициенты 
и 
показывают ухудшение рабочих процессов двигателя и его систем в процессе эксплуатации и изменяются от номинального до предельного значения. Согласно полученным выражениям для идентификации ДВС как динамического объекта необходимо рассматривать переходные функции самого двигателя (по частоте вращения) и его систем воздухо- и топливоподачи.
Для проверки предложенной схемы диагностирования был создан стенд для безразборной диагностики [12], с разработкой прибора для диагностики двигателя внутреннего сгорания по переходным характеристикам [13]. Стенд позволяет создать параметры двигателя для ситуационных испытаний, соответствующие его техническому состоянию при различной наработке. Это дает возможность применить для диагностики алгоритм на основе формулы Байеса [14, 15].
Идентификация предложенной модели проводилась для двигателя Д-243 после проведения соответствующих регулировок и обслуживания согласно ГОСТ Р 53639-2009. Для получения технического состояния двигателя в пределах изменения выбранной наработки ?l = 0÷1000 мото-часов изменялись значения компрессии в цилиндре в диапазоне ?k = 21÷27 атм. и давления во впускном коллекторе ?Pв = 2÷7 кПа. Значения цикловой подачи топлива gц, частоты вращения коленчатого вала n и крутящего момента двигателя Me замерялись в соответствии с методикой, приведенной в ГОСТ Р 53639-2009.
Результаты проведенных ситуационных испытаний, которые позволяют определить коэффициенты уравнений (6) и (7), приведены на рис. 1–5.
Рис. 1. Зависимость часового расхода воздуха Gв, кг/ч, от разряжения во впускном коллекторе Pв, кПа, при различных компрессиях k, атм
Рис. 2. Зависимость часового расхода воздуха Gв, кг/ч, от разряжения во впускном коллекторе Pв, кПа, при различных компрессиях k, атм
Рис. 3. Зависимость цикловой подачи топлива gц, мм3/цикл, от давления впрыска топлива Pф,
кгс/см2, при различной наработке l, мото-ч
Рис. 4. Зависимость цикловой подачи топлива gц, мм3/цикл, от давления впрыска топлива Pф,
кгс/см2, при различной наработке l, мото-ч
Рис. 5. Зависимость крутящего момента Ме от цикловой подачи gц, мм3/цикл, топлива и расхода воздуха Gв, кг/ч, при различных компрессиях k
Полученные функциональные зависимости позволяют в качестве диагностических параметров двигателя внутреннего сгорания принять переходные функции частоты вращения коленчатого вала, подачи топлива и расхода воздуха. При этом требуемая для использования в алгоритме Байеса априорная информация о техническом состоянии двигателя и его систем при различных наработках может быть смоделирована на основании уравнений (6, 7) на предлагаемом стенде.
Использование предложенного алгоритма позволит не только повысить достоверность принятого решения по результатам диагностики двигателя и уменьшить его трудоемкость, но и снизить влияние человеческого фактора и квалификации исполнителя.