Патент на изобретение №2208771

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к приборостроению, в частности к определению технического состояния двигателей внутреннего сгорания путем измерения ускорения разгона и выбега и заданных гармоник ускорения разгона в эксплуатационных условиях. Способ основан на непрерывном измерении в цикле работы двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала при многократных разгонах без нагрузки, а также выбегах, мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделении заданных гармонических составляющих ускорения, вычитании при достижении двигателем заданной частоты вращения из ускорения разгона этих гармонических составляющих и ускорения выбега, определении средних значений полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход поршня и вынесении суждения о степени неравномерности работы цилиндров по их соотношению, а о степени неуравновешенности двигателя – по амплитудам измеренных заданных гармонических составляющих. Устройство содержит датчик частоты вращения вала двигателя, селектор уровня, датчик синхронизации, блок дифференцирования начала отсчета угловых меток, блок синхронизации начала отсчета угловых меток, задатчики угловых меток цикла и номеров угловых меток цилиндров, дифференциатор, преобразователь временного интервала в код, регистр временного хранения, блоки регистров сигнала вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, задатчик частоты измерения мощности, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов и схему подготовки к работе, а также дополнительно введенные вторые дифференциатор и селектор уровня, блок цифровых перестраиваемых фильтров, задатчики номеров гармоник и уровня уравновешенности, вычислитель среднего значения и максимумов, а блоки хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности снабжены дополнительными входами. Техническим результатом является снижение трудоемкости и повышение точности измерений и достоверности определения технического состояния за счет устранения мешающих воздействий от дефектных цилиндров. 2 с.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения неравномерности работы цилиндров и неуравновешенности двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ определения технического состояния многоцилиндрового ДВС [1] , заключающийся в том, что определяют ускорение коленчатого вала на режиме разгона двигателя от холостого хода до максимальной частоты вращения в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня в течение периода, равного полному циклу в одном цилиндре, сравнивают полученные значения ускорения с номинальным и по величине отклонений от номинального судят о техническом состоянии каждого цилиндра.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения, особенно многоцилиндровых двигателей и при отключении отдельных цилиндров, вызванная наличием составляющих угловой скорости и ускорения, которые отражают внутренние механические и насосные потери двигателя.

Известен способ оценки неравномерности работы ДВС [2], выбранный нами за прототип и заключающийся в том, что устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала двигателя без нагрузки, измеряют амплитуду гармонической составляющей углового ускорения коленчатого вала, совпадающей с частотой цикла работы двигателя, и амплитуды заданных гармонических составляющих частоты вращения, затем измеряют амплитуду гармонической составляющей углового ускорения коленчатого вала, совпадающей с четвертой гармоникой частоты вращения, находят отношения амплитуд измеренных гармоник к амплитуде этой гармоники, после чего двигатель нагружают и осуществляют на номинальной частоте вращения повторные измерения амплитуд гармоник и рассчитывают их отношения, а по разности отношений под нагрузкой и на холостом ходу оценивают неравномерность.

Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость, вызванные необходимостью многократных измерений и нагрузки двигателя.

Известно устройство [3] для измерения мощности цилиндров двигателя, содержащее датчик частоты вращения вала двигателя, селектор уровня, датчик синхронизации, блок формирования начала отсчета угловых меток, блок формироания угловых меток, задатчик номера угловой метки, самообнуляющийся счетчик с регулируемой емкостью, блок синхронизации начала отсчета угловых меток, задатчик угловых меток цикла, формирователь строба, преобразователь частоты следования импульсов в напряжение, сглаживающий фильтр, ключ выделения рабочего хода поршня, дифференциатор, инвертор, переключатель разгон-выбег, управляющий интегратор, ключ памяти, запоминающее устройство и цифровой вольтметр, при этом вход ключа выделения рабочего хода поршня цилиндра соединен с выходом дифференциатора, а выход – с входом инвертора и переключателя разгона-выбега, управляющий вход ключа выделения рабочего хода поршня цилиндра соединен с выходом формирователя строба, выход переключателя разгона-выбега соединен с сигнальным входом управляющего интегратора, выход которого соединен через сглаживающий фильтр, ключ памяти и запоминающее устройство с цифровым вольтметром, причем управляющие входы ключа памяти и вольтметра соединены с выходом селектора уровня, управляющий вход самообнуляющегося счетчика с регулируемой емкостью соединен с выходом задатчика угловых меток цикла, первый установочный вход связан с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, второй счетный вход – с датчиком частоты вращения вала двигателя, первый выход связан с входом интегратора, а второй выход – с сигнальным входом блока формирования угловых меток, управляющий вход которого связан с задатчиком номера угловых меток, а выход – с входом формирователя строба, вход блока синхронизации начала отсчета угловых меток связан с выходом блока формирователя начала отсчета, вход которого, в свою очередь, соединен с датчиком синхронизации.

Недостатком известного устройства является большая сложность и трудоемкость диагностирования, вызванная необходимостью многократных измерений ускорений в тестовых режимах разгона-выбега двигателя для оценки мощностей цилиндров: низкая точность, вызванная запаздыванием аналогового сигнала при определении ускорений на заданной частоте вращения.

Известно также устройство [4] для измерения мощности цилиндров двигателя внутреннего сгорания, выбранное нами за прототип и содержащее датчик частоты вращения вала двигателя, селектор уровня, последовательно соединенные датчик синхронизации, блок формирования начала отсчета угловых меток цикла и блок синхронизации начала отсчета угловых меток, дифференциатор, задатчик номеров угловых меток цилиндров, индикатор, преобразователь временного интервала в код, регистр временного хранения, блок регистров сигнала, блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, задатчик частоты измерения мощности, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов, схему подготовки к работе, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов блока регистров сигнала через блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл связан с одним из входов селектора уровня, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения мощности, а выход – с первым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, второй выход блока регистров сигнала соединен с первым сигнальным входом дифференциатора, первый выход которого через блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности связан с индикатором, а второй выход – со вторым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров, вторые управляющие входы преобразователя временного интервала в код и дифференциатора соединены с выходом генератора тактовых импульсов, установочные входы: третий дифференциатора, вторые блока синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый регистра временного хранения, пятый блока регистров сигнала соединены со схемой подготовки к работе, блок преобразователя временного интервала в код содержит триггер управления записью, две схемы совпадений, счетчик тактовых импульсов и счетчик управления записью, причем первый счетный вход триггера управления записью является первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, выходы триггера управления записью соединены соответственно с первыми входами схем совпадений, вторые входы которых соединены между собой и являются вторым управляющим входом преобразователя временного интервала в код, выход первой схемы совпадения связан с первым счетным входом счетчика тактовых импульсов, а выход второй – со счетным входом счетчика управления записью, первый выход которого является вторым управляющим входом регистра временного хранения, второй выход соединен со вторым управляющим входом счетчика тактовых импульсов, а третий выход – со вторым управляющим входом триггера управления записью.

Недостатком известного устройства является низкая точность, особенно при определении неравномерности работы цилиндров и неуравновешенности многоцилиндровых двигателей, имеющих повышенный коэффициент неравномерности или неработающие (отключенные) отдельные цилиндры, из-за значительного замедления вращения коленчатого вала в течение рабочих ходов неисправных (с заниженной мощностью) или отключенных цилиндров, которое распространяется на соседние (согласно диаграмме распределения вспышек) цилиндры и вносит искажения при измерении составляющих ускорений коленчатого вала, определяемых работой этих цилиндров.

Задача заявляемого технического решения – упрощение, снижение трудоемкости и повышение точности диагностирования при определении технического состояния двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях.

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет в эксплуатационных условиях упростить и значительно снизить трудоемкость определения неравномерности работы и неуравновешенности многоцилиндровых двигателей за счет исключения необходимости нагрузки двигателя, а также повысить точность диагностирования за счет исключения влияния неисправных (или отключенных) цилиндров при измерении процессов, отражающих состояние соседних с ними по очередности срабатывания цилиндров.

Поставленная задача в способе решается тем, что непрерывно измеряют при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки средние значения в цикле работы двигателя, а также на рабочем такте каждого цилиндра, угловые скорости и ускорения коленчатого вала, измеряют амплитуды заданных гармонических составляющих ускорения, непрерывно измеряют в режиме разгона от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной в цикле работы двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие и ускорение выбега, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня и по их соотношению судят о степени неравномерности работы цилиндров, а по амплитудам заданных гармонических составляющих – о степени неуравновешенности двигателя.

Поставленная задача в устройстве достигается тем, что в известное устройство дополнительно введены вторые дифференциатор и селектор уровня, блок цифровых перестраиваемых фильтров, задатчик номеров гармоник, вычислитель среднего значения и максимумов, задатчик уровня неуравновешенности, а в блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности и в индикатор – дополнительные входы, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов блока регистров сигнала через блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл связан с одним из входов первого селектора уровня, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения мощности, а выход – с первым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, второй выход блока регистров сигнала соединен с первым сигнальным входом первого дифференциатора, первый выход которого через блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности связан с первым входом индикатора, а второй выход – с вторым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров, вторые управляющие входы преобразователя временного интервала в код и первого дифференциатора соединены с выходом генератора тактовых импульсов, установочные входы: третий первого дифференциатора, вторые блока синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый регистра временного хранения, пятый блока регистров сигнала соединены со схемой подготовки к работе, причем датчик синхронизации последовательно соединен с блоком формирования начала отсчета угловых меток и блоком синхронизации начала отсчетов угловых меток, выход блока регистров сигнала через второй дифференциатор связан с первым входом блока перестраиваемых цифровых фильтров, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами задатчика номеров угловых меток цилиндров и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый вход которого соединен с задатчиком номеров гармоник, а выход – с входом вычислителя среднего значения и максимумов, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами блока хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности и второго селектора уровня, первый вход которого связан с задатчиком уровня неуравновешенности, а выход – со вторым входом индикатора.

На фиг. 1-4 приведены диаграммы процессов в многоцилиндровых двигателях различной компоновки, поясняющие появление гармоник ускорения, отражающих повышенные неравномерность работы цилиндров и неуравновешенность двигателя (фиг. 1 – для компоновки 4-Р; фиг.2 – для компоновки 6-Р; фиг.3 – для компоновки 6-V с неравномерным чередованием впрысков; фиг.4 – для компоновок 8-V – (а, б) и 12-V, (в – д); фиг.5 – для компоновки 8-V при неработающем цилиндре). На фиг.6 приведена функциональная схема заявляемого устройства.

Заявляемый способ осуществляется в следующей последовательности.

В режиме разгона двигателя без нагрузки он нагружается собственными силами сопротивления и при неравномерной работе цилиндров, а также при повышенной неуравновешенности, в угловом ускорении коленчатого вала многоцилиндровых двигателей появляются составляющие с частотами

где _ц – угол поворота коленчатого вала за цикл работы двигателя; _чв – угол чередования вспышек между соседними группами из двух и более цилиндров (при этом число групп в цикле работы двигателя четное); f_ц – частота цикла работы ДВС (для четырехтактных ДВС f_ц = 0,5 f, f – частота вращения коленчатого вала, Гц); к -номер гармонической составляющей.

Гармоника же ускорения, кратная 4-й гармонике частоты вращения, отражает активные процессы горения топлива и создания положительного вращающего момента.

Эти гармоники аналогичны гармоникам, проявляющимися в стационарном режиме работы ДВС под нагрузкой.

Как видно из диаграмм (фиг.1-4) для всех рассмотренных компоновок двигателя номера гармоник f_к не превышает 3-й гармоники (для двигателей компоновок: 4-Р – 0,5-я и 1-я гармоники; 6-Р и 6-V – 0,5-я и 1,5-я гармоники; 8-V – 0,5-я и 2-я гармоники; 12-V – 0,5-я, 1-я и 3-я гармоники).

Для определения неравномерности работы цилиндров при достижении двигателем в режиме разгона заданной (чаще всего номинальной) частоты вращения измеряют средние значения ускорений на участках рабочих ходов цилиндров. Затем в режиме выбега на этих же участках также определяют средние значения ускорений цилиндров, вычитают их алгебраически из полученных ускорений в режиме разгона и по ним определяют коэффициент неравномерности.

Однако при числе цилиндров больше 4-х, повышенной неравномерности (К_пер>10-15%) работы цилиндров и в особенности при наличии одного и более неработающих (в том числе отключенных каким-либо способом) цилиндров происходит резкое торможение двигателя на участках дефектных (или неработающих) цилиндров, приводящее к существенному снижению угловой скорости (провалу скорости) на этих участках (фиг.5). В результате при измерении ускорений в разгоне на участках рабочих ходов соседних цилиндров и расчете коэффициента неравномерности погрешность измерения резко возрастает, что приводит к существенному уменьшению достоверности диагностирования состояния двигателя.

Для уменьшения этой погрешности необходимо из полного ускорения разгона при достижении двигателем заданной частоты вращения выделить с привязкой по углу поворота коленчатого вала составляющие ускорения, кратные заданным гармоникам, которые характерны для двигателя данной компоновки. Затем необходимо определить средние значения этих гармоник на соответствующих участках рабочих ходов цилиндров и вычесть их алгебраически из величин, полученных на этих участках в разгоне и выбеге. Результирующие величины отражают активные процессы горения и создания положительного крутящего момента и используются для расчета коэффициента неравномерности по формуле:

где _imax и _imin – максимальное и минимальное значения ускорений, вычисленные на участках работы цилиндров в разгоне и выбеге:
(_p, _в и _г – средние значения ускорений, измеренных в разгоне, выбеге и гармоник f_k ускорения в разгоне на соответствующих участках работы цилиндров; к – число выделяемых гармоник ускорения для компоновки испытуемого двигателя).

Уровень амплитуд гармоник f_к ускорения отражает степень неуравновешенности двигателя, в особенности возрастающую при отключении каким-либо способом части цилиндров в случае недогрузки двигателя. У двигателя данной марки всегда имеются допускаемые остаточные неуравновешенные силы и моменты, вызванные конструктивными и технологическими факторами. Уровень допустимой неуравновешенности двигателя при его испытании можно задать с помощью задания допустимых амплитуд гармоник f_к ускорения. Превышение этого уровня свидетельствует о повышенной неуравновешенности двигателя.

Устройство содержит датчик частоты вращения 1, преобразователь временного интервала в код 2, регистр временного хранения 3, датчик синхронизации 4, блок 5 формирования начала отсчета угловых меток, блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток, блок 7 регистров сигнала, задатчик 8 угловых меток цикла, задатчик 9 номеров угловых меток цилиндров, блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, первый селектор уровня 11, задатчик 12 частоты измерения мощности, первый дифференциатор 13, блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, индикатор 15, генератор тактовых импульсов 16, схему подготовки к работе 17, второй дифференциатор 18, блок цифровых перестраиваемых фильтров 19, задатчик номеров гармоник 20, вычислитель среднего значения и максимумов 21, второй селектор уровня 22, задатчик уровня неуравновешенности 23. Блок 2 преобразователя временного интервала в код состоит из триггера управления записью, двух схем совпадений, счетчика тактовых импульсов, счетчика управления записью. Блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл представляет собой микропроцессорную систему, содержащую регистр ввода, общую шину, центральный процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), таймер, постоянное запоминающее устройство, управляющее устройство (дешифратор адреса). Датчик 1 частоты вращения соединен с первым сигнальным входом преобразователя 2 временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра 3 временного хранения. Третий управляющий вход регистра 3 через последовательно соединенные блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток и блок 5 формирования начала отсчета угловых меток связан с датчиком 4 синхронизации. Выход регистра 3 соединен с первым сигнальным входом блока 7 регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого связаны соответственно с задатчиком 8 угловых меток цикла и выходом задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров. Один их выходов блока 7 соединен через блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл с одним из входов первого селектора уровня 11, второй вход которого соединен с задатчиком 12 частоты измерения мощности, а выход – с первым входом задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока 7 регистров. Второй выход блока 7 регистров связан с первым сигнальным входом первого цифрового дифференциатора 13, первый выход которого через блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности соединен с индикатором 15, а второй – со вторым входом задатчика 9. Вторые управляющие входы преобразователя 2 и первого дифференциатора 13 соединены с генератором тактовых импульсов 16. Третий управляющий вход первого дифференциатора 13, вторые управляющие входы блока 10 вычисления среднего значения частоты вращения и блока 6 синхронизации, установочные входы: четвертый регистра 3 и пятый блока регистров 7 соединены со схемой 17 подготовки к работе. Выходы преобразователя 2 соединены с сигнальным и вторым управляющим входами регистра 3.

Датчик 1 частоты вращения формирует стандартные импульсы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости вращения вала , количество N – углу поворота коленчатого вала двигателя. Последовательность этих импульсов преобразуется в преобразователе 2 временного интервала в код в последовательность чисел (кодов), которые через регистр временного хранения 3 последовательно поступают на информационный вход блока 7 регистров сигнала. Датчик синхронизации 4 формирует один импульс за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС – за 720^o). Момент появления импульса синхронизации соответствует определенному моменту цикла. Блок 5 формирования начала отсчета угловых меток выделяет передний фронт импульса датчика 4 синхронизации. Если на управляющем входе блока 6 синхронизации начала отсчета угловых меток стоит сигнал “0”, с его выхода на третий управляющий вход регистра 3 временного хранения поступает сигнал, запрещающий запись информации в этот регистр. Если на управляющий вход блока 6 поступил импульсный сигнал “1”, то с приходом первого импульса с блока 5 на выходе блока 6 появляется потенциал, разрешающий запись информации в регистр 3. После чего первое число, соответствующее первому временному интервалу с преобразователя 2, записывается в регистре 3. Поступающие затем коды временных интервалов с преобразователя 2 через регистр 3 записываются поочередно в блоке 7 регистров сигнала. Количество записанных кодов определяется числом угловых меток за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС оно равно удвоенному числу Z угловых меток на коленчатом валу), т.е. числом регистров, разрешение на запись в которые поступило от задатчика 8 угловых меток цикла. Информация, хранящаяся в блоке 7, поступает с первого выхода на блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл и со второго выхода – на первый сигнальный вход первого цифрового дифференциатора 13. Код числа, соответствующий среднему значению частоты вращения за цикл, поступает на первый вход первого селектора уровня 11, где сравнивается с кодом, выставленным задатчиком 12 частоты измерения мощности. Первый селектор уровня 11 непрерывно следит за изменяющейся в разгоне частотой вращения и фиксирует момент достижения двигателем заданного значения частоты n_оп, при которой требуется определить мощность двигателя. Этому моменту соответствует сигнал на выходе первого селектора 11, который подается на четвертый управляющий вход блока 7 регистров и прекращает запись информации в регистры блока 7. Таким образом, в блоке 7 регистров хранятся числа, соответствующие 2Z (или 4Z) временным интервалам между соседними угловыми метками. В соответствие с выставленными задатчиком 9 номерами угловых меток начала _н и конца N_к каждого из цилиндров на первый дифференциатор 13 подаются соответствующие коды и вычисляются ускорения на участках рабочих ходов цилиндров по известным формулам. Преобразование временных интервалов преобразователем 2 и управление дифференциатором 13 осуществляется с помощью генератора 16 тактовых импульсов. Вычисленные блоком 13 коды ускорения в разгоне и в выбеге подаются на блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности.

Информация с блока 7 регистров сигнала, поступающая на блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения, одновременно подается на первый информационный вход второго цифрового дифференциатора 18, второй управляющий вход которого соединен с генератором тактовых импульсов 16. Вычисленные вторым дифференциатором 18 коды мгновенных значений ускорений коленчатого вала за цикл работы двигателя подаются на первый информационный вход блока 19 цифровых перестраиваемых фильтров. На управляющие входы блока 19 подаются сигналы: на второй – с выхода задатчика номеров угловых меток цилиндров, на третий – с выхода блока 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, на четвертый – с задатчика номеров гармоник. В соответствии с этими управляющими сигналами в блоке 19 происходит перестройка фильтров на номера гармоник ускорения, соответствующих компоновке испытуемого двигателя и кратных заданной частоте вращения, выделение из суммарного сигнала ускорения коленчатого вала соответствующих гармоник, временное запоминание отсчетов мгновенных значений этих гармоник согласно номерам угловых меток цилиндров и их передача на информационный вход вычислителя 21 среднего значения и максимумов, в котором рассчитываются средние значения гармоник на участках рабочих ходов цилиндров и максимальные значения (амплитуды) гармоник f_к. С первого выхода вычислителя 21 средние значения гармоник на участках рабочих ходов цилиндров поступают на второй информационный вход блока 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности. В этом блоке рассчитывается коэффициент неравномерности по приведенной формуле (1). Коды максимальных значений (амплитуд) выделенных гармоник f_к подаются на первый вход второго селектора уровня 22, на второй вход которого подаются коды с задатчика 23 уровня неуравновешенности, которые соответствуют допускаемым значениям амплитуд указанных гармоник. При превышении заданного допускаемого уровня сигнал подается на второй вход индикатора 15, на котором он высвечивается в абсолютной величине или в процентах.

Результаты измерения коэффициента неравномерности и ускорений _i отдельных цилиндров выводятся также при необходимости последовательно на индикатор 15. При подготовке устройства к работе с помощью схемы 17 подготовки к работе осуществляется сброс информации, хранящейся в регистре 3, блоке 7 регистров, блоке 10 вычисления среднего значения частоты и первом дифференциаторе 13, а также осуществляется подготовка к работе блока 6 синхронизации.

В качестве датчика 1 частоты вращения может быть применен индукционный первичный преобразователь, устанавливаемый в корпусе напротив зубчатого венца маховика, с последующим включением триггера Шмитта и ждущего мультивибратора, формирующих импульсы стандартизированной длительности и амплитуды. Преобразователь 2 временного интервала в код построен по известной схеме. В качестве датчика 4 синхронизации может быть использован, например, датчик начала подачи или впрыска топлива в один из цилиндров в дизельных, датчик зажигания одного из цилиндров в карбюраторных двигателях. Блок 5 формирования начала отсчета угловых меток может включать в себя последовательно соединенные пиковый детектор, аналоговый дифференциатор и формирователь импульсов (триггер Шмитта). Постоянная времени заряда пикового детектора выбирается из условия неискаженного выделения переднего фронта виброимпульса впрыска, а разряда – из условия разряда емкости на 80 – 90% к моменту прихода следующего виброимпульса от впрыска топлива в тот цилиндр, на котором установлен вибродатчик. Применение такой схемы блока 5 позволяет устранить помехи от впрысков топлива в другие цилиндры и от соударения деталей. Блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток представляет собой статический триггер, на один из входов которого подаются импульсы с блока 5, а на второй – сигналы “0” или импульсный “1”, которые подаются со схемы подготовки к работе по команде или с помощью кнопки. Разрядность преобразователя 2, регистра 3 и регистров блока 7 определяется требуемой погрешностью преобразования временного интервала. Задатчик угловых меток цикла 8 состоит из одного или более (в зависимости от числа марок контролируемых двигателей) декадных переключателей, при каждом положении которого определяется число 2Z регистров блока 7, на которые подается сигнал разрешения записи. Задатчик 9 номеров угловых меток цилиндров состоит из дешифратора, соединенного своими выходами с блоком регистров 7, десятичного счетчика числа цилиндров, соединенного своими выходами с управляющими входами дешифратора; схемы объединения ИЛИ, выход которой соединен со счетным входом счетчика, один вход – со вторым выходом первого дифференциатора 13, а второй вход через схему формирования переднего фронта – с выходом первого селектора 11; переключателя марки двигателя, соединенного своими выходами с информационными входами дешифратора. Дешифратор разбит на группы, число которых равно числу цилиндров для данной марки двигателя, т. е. определяется положением переключателя марки двигателя. Выходы каждой группы подсоединены к соответствующим управляющим входам блока 7 регистров сигналов. Количество этих выходов определяется числом угловых меток, приходящихся на рабочий такт контролируемого цилиндра. При установке переключателя в заданное положение на управляющие входы соответствующих групп дешифратора подается потенциал, разрешающий коммутацию регистров блока 7, при условии, что на других управляющих входах данной группы дешифратора имеется разрешающий потенциал от счетчика числа цилиндров. При появлении сигнала на выходе первого селектора 11 с помощью схемы выделения переднего фронта формируется импульс, который через схему ИЛИ подается на счетный вход десятичного счетчика числа цилиндров. С выхода “1” счетчика разрешающий потенциал поступает на управляющие входы той группы дешифратора, которая коммутирует регистры блока 7, содержащие информацию о рабочем такте первого цилиндра. Эта информация поступает в первый дифференциатор 13. По окончании вычисления ускорения на рабочем такте первого цилиндра со второго выхода первого дифференциатора 13 подается импульс через второй вход схемы ИЛИ на счетный вход счетчика числа цилиндров, с выхода “2” которого разрешающий потенциал подается на группу дешифратора, коммутирующую регистры, которые определяют временные интервалы на рабочем такте контролируемого цилиндра. Далее процесс повторяется.

Блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл представляет собой арифметическое устройство (микроЭВМ), осуществляющее операцию нахождения среднего арифметического чисел, поступающих с блока 7 регистров, а также добавление последующего и вычитание первого числа, если nоп в разгоне n>n_оп или в выбеге.

С блока регистров 7 сигнал проходит через регистр ввода на общую шину, откуда может быть передан в ОЗУ или непосредственно центральному процессору, который обменивается через общую шину с другими блоками системы. ОЗУ хранит (при необходимости) коды сигналов, поступающих с регистра ввода, а также промежуточные результаты вычисления процессора. Таймер задает ритм работы микропроцессорной системы. ПЗУ хранит константы и программу, реализующую алгоритм вычисления среднего значения частоты вращения за цикл. Управляющее устройство осуществляет взаимодействие блоков системы согласно заданному алгоритму: подключает регистр ввода, ОЗУ, ПЗУ или процессор к общей шине на прием или передачу информации. Центральный процессор осуществляет: суммирование 2Z чисел, поступающих с блока 7 регистров (Z – число угловых меток или число временных интервалов между соседними угловыми метками); перевод полученного числа, соответствующего временному интервалу поворота коленчатого вала на 720^o, в мин^-1 по известной формуле; нахождение среднего значения частоты вращения за два оборота; передачу полученного числа на первый селектор уровня 11; при выполнении неравенства nоп в разгоне или n>n_оп в выбеге добавление кода следующего (2Z +1)-го числа и вычитание кода первого числа Z₁. Первый селектор уровня 11 представляет собой цифровую схему сравнения кодов, поступающих с блока 10 и задатчика 12 частоты измерения мощности. Последний в свою очередь состоит из набора декадных переключателей (четыре переключателя), с помощью которых выставляется требуемая частота измерения мощности, дешифратора и регистра, формирующих на выходе код, соответствующий этой частоте. Первый дифференциатор 13 является арифметическим устройством (микроЭВМ), осуществляющим последовательный расчет ускорения на рабочем такте каждого из цилиндров по известной формуле. Необходимые для этого коды чисел, хранящихся в регистре 7, передаются на первый дифференциатор 13. Номера этих чисел определяются задатчиком 9. В качестве таймера, управляющего работой первого дифференциатор 13, может использоваться генератор 16 тактовых импульсов (он может также управлять работой блоков 10, 14 и 18). Блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности построен аналогично блоку 10. ОЗУ хранит I_ц отсчетов (I_ц – число цилиндров), измеренных в разгоне, столько же на выбеге и промежуточные результаты вычислений, обеспечивающие нормальное функционирование центрального процессора. Процессор осуществляет: алгебраическое вычитание из кодов чисел ускорений, измеренных в разгоне на соответствующих участках цилиндров, которые поступают в блок 14 с дифференциатора 13, кодов чисел, измеренных на выбеге, и кодов чисел, поступающих с вычислителя 21 среднего значения и максимумов; нахождение максимального и минимального значений полученных ускорений; вычисление коэффициента неравномерности по формуле (1). При недостаточном быстродействии блока 14 для обеспечения расчетов при быстром переходе с режима разгона на выбег емкость блока регистров 7 может быть увеличена дополнительно для хранения 2Z отсчетов, измеренных на выбеге. Результаты вычисления индицируются на цифровом табло (индикаторе 15). В качестве схемы 17 подготовки к работе может выступать кнопка, соединенная с формирователем импульсов. Устройство второго дифференциатора 18 аналогично устройству первого дифференциатора 13 за исключением того, что он вычисляет мгновенные значения углового ускорения в течение всего цикла работы двигателя. Блок 19 цифровых перестраиваемых фильтров представляет собой набор параллельных фильтров, настроенных на частоты f_к, которые перестраиваются в соответствии с заданной частотой вращения, на которой производится измерение. Цифровые фильтры могут быть построены по типовой схеме (например, реализующий быстрое преобразование Фурье), в том числе и на микроЭВМ.

Задатчик 20 номеров гармоник может состоять из декадного переключателя, с помощью которого включаются в работу фильтры, настроенные на частоты f_к, характерные для компоновки испытуемого двигателя.

Вычислитель 21 среднего значения и максимумов может быть построен аналогично блоку 10 и осуществляет операцию нахождения на участках рабочих ходов цилиндров среднего арифметического значения чисел, поступающих с блока 19 цифровых перестраиваемых фильтров, а также нахождение максимальных значений (амплитуд) гармоник f_к.

Второй селектор уровня 22 построен аналогично первому селектору 11 и осуществляет сравнение кодов, поступающих с вычислителя 21 и задатчика 23 уровня неуравновешенности. Задатчик 23 уровня выполняется аналогично задатчику 12 частоты измерения мощности. С помощью набора декадных переключателей выставляется требуемый уровень гармоник f_к, с помощью дешифратора и регистра формируется код, который поступает на вход второго селектора уровня 22.

Служебные связи между вычислительными блоками 10, 13, 14, 18, 19, 21 и остальными (“запрос на прерывание”, “готовность к обслуживанию внешних устройств” и др.) на фиг. 6 не показаны как несущественные. Принцип действия предлагаемого устройства при определении индикаторной мощности отдельных цилиндров двигателя без их отключения заключается в измерении в разгоне на участке работы проверяемого цилиндра среднего значений ускорений, среднего значения гармоник f_к, затем в выбеге на этом же участке (или наоборот) и вычитание (алгебраически) второго и третьего значений из первого. Для этого с помощью преобразователя 2 временные интервалы между соседними угловыми метками преобразуются в код и с момента поступления с блока 6 синхронизации на регистр 3 разрешающего потенциала, вызванного появлением сигнала с датчика 4, они проходят через регистр 3 в блок 7 регистров и последовательно записываются. Количество чисел (кодов), хранящихся в регистре 7 (длина массива), определяется задатчиком 8. Нумерация чисел в соответствии с их положением в цикле работы двигателя определяется задатчиком 9. Коды чисел из блока 7 поступают в блок 10, где происходит вычисление среднего значения частоты вращения за цикл (за 2 или 4 поворота коленчатого вала на угол 360^o). Полученное значение сравнивается в селекторе 11 с опорным значением, установленным заранее задатчиком 12, и в случае их равенства сигнал с выхода селектора 11 подается на четвертый управляющий вход блока 7 регистров, который прекращает дальнейшую запись в него чисел. Если же измеренное n меньше требуемого n_оп, то блок 10 производит добавление кода следующего числа: (2Z+1)-гo или (4Z+1)-гo и вычитание кода первого числа. С момента прекращения записи чисел в блок 7 производится их последовательная пересылка в первый цифровой дифференциатор 13, в котором происходит вычисление ускорений на рабочих тактах цилиндров по известным формулам. Коды рассчитанных ускорений передаются последовательно в блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности. Блок 14 осуществляет хранение ускорений, вызванных работой отдельных цилиндров в разгоне и в выбеге (которые поступают с дифференциатора 13), алгебраическое вычитание из ускорений разгона ускорений выбега и гармоник f_к на участках работы цилиндров, расчет коэффициента неравномерности и последовательный вывод на цифровое табло индикатора 15 (в автоматическом или ручном режимах) ускорений, вызванных работой отдельных цилиндров, в разгоне (за вычетом средних значений гармоник f_к) и выбеге, а также всех цилиндров вместе и рассчитанного коэффициента неравномерности. Измеренные ускорения в разгоне, выбеге и их алгебраическая разность характеризуют соответственно эффективную мощность, мощность потерь и индикаторную мощность, а также соответствующие полные мощности двигателя. При желании, умножив ускорения на постоянный для данной марки двигателя коэффициент, можно индицировать мощность в киловаттах. При определении мощности двигателя в целом работа устройства аналогична за исключением того, что расчет ускорения производится при использовании всех 2Z (или 4Z) чисел, хранящихся в блоке 7. Этот режим определяется задатчиком 9. Перед началом измерений оператором устанавливается с помощью задатчика 8 требуемая длина массива чисел, записываемых в блок 7, с помощью задатчика 9 осуществляется нумерация отсчетов, хранящихся в блоке 7, в соответствии с чередованием рабочих тактов цилиндров. С помощью задатчика 20 устанавливаются номера гармоник, выделяемых блоком 19 цифровых фильтров, а с помощью задатчика 23 – допускаемый уровень неуравновешенности ДВС. С помощью схемы 17 осуществляется установка в исходное состояние регистра 3, блоков 7 и 10, первого дифференциатора 13, триггер блока 6 устанавливается в одно из устойчивых состояний. С ее помощью может осуществляться установка в исходное состояние также блоков 18, 19 и 21. С приходом импульса синхронизации с датчика 4 триггер блока 6 устанавливается в другое устойчивое состояние, при этом блокируется первый вход блока 6 и дается разрешение на запись в регистре 3 кода, поступающего с преобразователя 2. Таким образом, первый временной интервал, записанный в блок 7, соответствует одной и той же угловой метке, следующей непосредственно за началом впрыска топлива в цилиндр, на котором установлен датчик 4. Так как вход блока 6 заблокирован, то в блоках 7 и 21 хранятся отсчеты, начиная с первой угловой метки. Далее в разгоне и выбеге указанная угловая метка служит опорной и определяет нумерацию отсчетов, хранящихся в блоках 7 и 21. Погрешность, вносимая несовпадением опорного импульса с импульсом впрыска, не превышает интервала между соседними угловыми метками и при достаточно большом их числе (больше 100) вносимая погрешность ничтожна. Кроме того, после впрыска до момента начала горения газовые силы, характеризующие индикаторную мощность цилиндра, еще не формируют положительного ускорения.

В режиме разгона двигателя импульс впрыска топлива может расширяться и появляются дополнительные всплески, которые могут быть приняты за начало впрыска топлива. Так как с ростом частоты вращения впрыск топлива смещается в сторону позднего угла и, кроме того, между моментами впрыска и начала горения еще не создается положительного ускорения коленчатого вала, а также с учетом того, что впрыск топлива на выбеге отсутствует, то с целью повышения помехоустойчивости измерений возможно выделить опорную угловую метку только один раз – в стационарном режиме частоты вращения или в начале разгона.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 866432, кл. G 01 М 15/00, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР 1629777, кл. G 01 М 15/00, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР 1183846, кл. G 01 L 23/08, 1983.

4. Авторское свидетельство СССР 1789898, кл. G 01 L 23/08, 1993.

Формула изобретения

1. Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания путем непрерывного измерения при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки средних значений в цикле работы двигателя, а также на рабочем такте каждого цилиндра, угловых скорости и ускорения коленчатого вала, измерения амплитуд заданных гармонических составляющих ускорения, отличающийся тем, что в режиме разгона от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной непрерывно измеряют в цикле работы двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и, при достижении двигателем заданной частоты вращения, вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие и ускорение выбега, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня и по их соотношению судят о степени неравномерности работы цилиндров, а по амплитудам заданных гармонических составляющих – о степени неуравновешенности двигателя.

2. Устройство для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания, содержащее датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя, селектор уровня, датчик синхронизации, блок формирования начала отсчета угловых меток, блок синхронизации начала отсчета угловых меток, задатчики угловых меток цикла и номеров угловых меток цилиндров, индикатор, первый дифференциатор, преобразователь временного интервала в код, регистр временного хранения, блоки регистров сигнала и вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, задатчик частоты измерения мощности, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов и схему подготовки к работе, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов блока регистров сигнала через блок вычисления среднего значения частоты за цикл связан с одним из входов первого селектора уровня, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения мощности, а выход – с первым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, второй выход блока регистров сигнала соединен с первым сигнальным входом первого дифференциатора, первый выход которого через блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности связан с первым входом индикатора, а второй выход – с вторым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров, вторые управляющие входы преобразователя временного интервала в код и первого дифференциатора соединены с выходом генератора тактовых импульсов, установочные входы: третий первого дифференциатора, вторые блока синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый регистра временного хранения, пятый блока регистров сигнала соединены со схемой подготовки к работе, причем датчик синхронизации последовательно соединен с блоком формирования начала отсчета угловых меток и блоком синхронизации начала отсчета угловых меток, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено вторыми дифференциатором и селектором уровня, блоком цифровых перестраиваемых фильтров, задатчиками номеров гармоник и уровня неуравновешенности, вычислителем среднего значения и максимумов, а блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности и индикатор – дополнительными входами, причем выход блока регистров сигнала через второй дифференциатор связан с первым входом блока перестраиваемых цифровых фильтров, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами задатчика номеров угловых меток цилиндров и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый вход которого соединен с задатчиком номеров гармоник, а выход – с входом вычислителя среднего значения и максимумов, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами блока хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности и второго селектора уровня, первый вход которого связан с задатчиком уровня неуравновешенности, а выход – со вторым входом индикатора.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 22.03.2004

Извещение опубликовано: 20.04.2006 БИ: 11/2006