Способ определения цикловой подачи топлива и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING CYCLIC FUEL SUPPLY AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к технике диагностирования дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для определения цикловой подачи топлива в двигателе топливным насосом высокого давления (ТНВД) как при испытании двигателя, так и при проверке его технического состояния, в том числе в эксплуатационных условиях.
ц
Цикловая подача g топлива является одним из важных параметров, характеризующих техническое состояние дизельного ДВС, в частности состояние ТНВД. Выход указанного параметра за пределы допускаемых значений приводит к ухудшению работы двигателя, закоксовыванию деталей цилиндро-поршневой группы, снижению мощности дизеля, увеличению удельного расхода топлива. Поэтому измерение цикловой подачи топлива крайне важно, как при эксплуатации, так и при ремонте дизельного ДВС.
Известен способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между началом импульса повышения давления топлива в надплунжерном пространстве топливного насоса двигателя и началом импульса повышения давления топлива в головке топливного насоса /1/. В известном способе цикловую подачу измеряют при определенных (пусковых) постоянных оборотах коленчатого вала дизеля.
Недостатком известного способа является необходимость поддержания частоты вращения коленчатого вала постоянной, и чтобы регулятор ТНВД удерживал рейку подачи топлива на постоянной цикловой подаче, т.е. необходимо создать устойчивый режим работы дизеля, иначе с изменением частоты вращения коленчатого вала дизеля регулятор ТНВД, действуя на указанную рейку, изменяет цикловую подачу топлива. Чтобы измерить цикловую подачу топлива при постоянной частоте вращения коленчатого вала дизеля, необходимо использовать дополнительные средства для стабилизации этой частоты вращения. Это выполнимо в определенных стационарных условиях, например, при установке дизеля или машины с используемым на ней дизелем на соответствующем стенде с тормозным устройством для нагружения дизеля, что связано с трудоемкими операциями. Поэтому известный способ неприменим для оперативного определения цикловой подачи топлива в эксплуатационных условиях. Кроме того, в процессе эксплуатации дизельный двигатель работает на пусковой частоте вращения в течение непродолжительных промежутков времени, поэтому измеренная на этой частоте вращения цикловая подача топлива не будет характеризоваться достаточно точно.
Известно устройство для определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между началом импульса повышения давления топлива в надплунжерном пространстве топливного насоса двигателя и началом импульса повышения давления топлива в головке топливного насоса /1/, содержащее последовательно соединенные датчики давления, усилители и световой осциллограф или вместо последнего жестко связанный с коленчатым валом двигателя диск с угловой градуировкой и моментоскоп.
Недостатком известного устройства являются низкая оперативность, точность и достоверность определения цикловой подачи топлива в эксплуатационных условиях, и, следовательно, технического состояния двигателя.
Известен способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе /2/, выбранный прототипом предлагаемого способа, заключающийся в том, что фазовый сдвиг между началом импульса повышения давления топлива в надплунжерном пространстве топливного насоса двигателя и началом импульса повышения давления топлива в головке топливного насоса определяют на режиме свободного ускорения двигателя при частоте вращения его коленчатого вала, отличающейся не более чем на 1% от номинального значения частоты вращения, причем режим свободного ускорения создают путем первоначального обеспечения работы двигателя на минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода и последующего резкого перемещения органа управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя в положение, соответствующее максимальной подаче топлива; причем указанный фазовый сдвиг определяют не ранее чем через 0,8 с после достижения указанным органом управления положения, соответствующего максимальной подаче топлива, и не позднее момента срабатывания указанного регулятора на уменьшение подачи топлива; причем указанный фазовый сдвиг определяют не позднее момента прерывания контакта основного рычага указанного регулятора с головкой болта установки указанной номинальной частоты вращения.
Недостатком известного способа является сложность его применения в условиях эксплуатации и высокая трудоемкость, вызванная необходимостью проведения сборочно-разборочных работ для установки датчиков давления в ТНВД и винтового контакта. Кроме того, с его помощью невозможно определить цикловую подачу топлива по секциям ТНВД.
Известно устройство для определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между началом импульса повышения давления топлива в надплунжерном пространстве топливного насоса двигателя и началом импульса повышения давления топлива в головке топливного насоса /2/, содержащее последовательно соединенные датчики давления, усилители и светолучевой осциллограф, схемы задержки и блокирования (запрета) измерений показаний датчиков давлений, винтовой контакт, причем вход схемы задержки измерений показаний датчиков давлений соединен первым электропроводом с винтовым контактом, находящимся в соприкосновении с органом управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя при нахождении последнего в положении максимальной подачи топлива, вход схемы блокирования (запрета) измерений соединен вторым электропроводом с головкой болта, осевое расположение которого и регулятор частоты вращения коленчатого вала отрегулированы таким образом, что прерывание контакта основного рычага регулятора частоты вращения коленчатого вала с болтом происходит при достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя, причем выходы схем задержки и блокирования (запрета) измерений показаний датчиков давлений соединены с сигнальным входом светолучевого осциллографа.
Недостатком известного устройства является сложность его применения в условиях эксплуатации, вызванная необходимостью проведения сборочно-разборочных работ для установки датчиков давления в ТНВД, винтового контакта и соответствующих соединений со схемами этого контакта и болта, контактирующего с основным рычагом регулятора частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, с его помощью невозможно определить цикловую подачу топлива по секциям ТНВД, а также цикловую подачу топлива на различных частотах вращения коленчатого вала, значения которой используются для диагностирования топливной системы.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение, снижение трудоемкости, расширение возможностей диагностирования при обеспечении достаточно точного и оперативного определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе, в том числе по секциям топливного насоса высокого давления в условиях эксплуатации, что позволяет повысить точность и достоверность оценки технического состояния топливной системы двигателя.
Поставленная задача в способе решается тем, что в режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления известных длины и поперечного сечения на выходе топливного насоса и перед форсункой, причем фазовый сдвиг определяют по максимумам взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции импульса на выходе топливного насоса и скоростью импульса перемещения топливопровода перед форсункой, полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения.
В режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления известных длины и поперечного сечения на выходах топливного насоса или перед форсунками, причем фазовый сдвиг определяют по максимумам взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции импульса перемещения топливопровода первой секции и скоростью импульса перемещения топливопровода соседней по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам секции, полученных по множеству циклов, с предварительным определением фазового сдвига одним из указанных способов между импульсами, характеризующими перемещение корпусов в конце первого и начале второго соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления с последующим вычитанием этого сдвига из фазового сдвига между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения.
В стационарном режиме полной нагрузки двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления известной длины и поперечного сечения на выходе топливного насоса и перед форсункой, или по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления на выходах топливного насоса или перед форсунками, а также с предварительным определением фазового сдвига между импульсами, характеризующими перемещение корпусов в конце первого и начале второго соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления с последующим вычитанием этого сдвига из фазового сдвига между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения, причем фазовый сдвиг между этими импульсами определяют по максимумам взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции первого из указанных импульсов и скоростью второго импульса перемещения топливопровода, полученных по множеству циклов.
В дизельном двигателе предварительно определяют неизвестное поперечное сечение топливопровода по соотношению фазовых сдвигов между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления на выходе топливного насоса и перед форсункой, полученных при установке датчиков с одной стороны и с разных сторон топливопровода высокого давления, причем фазовые сдвиги между импульсами определяются по максимуму взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции первого из указанных импульсов и скоростью второго импульса перемещения топливопровода, полученных по множеству циклов, причем цикловую подачу топлива по секциям и дизельного двигателя определяют с учетом этого поперечного сечения топливопровода высокого давления.
Поставленная задача в устройстве решается тем, что оно снабжено корреляционным расходомером, определителем цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом, определителем опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива, электронным ключом и задатчиком констант, причем выход корреляционного расходомера соединен с первым входом определителя цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом, выход определителя опорной частоты измерения цикловой подачи топлива соединен с электронным ключом, выход которого связан с входом корреляционного расходомера, а задатчик констант соединен с вторым входом определителя цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом.
Корреляционный расходомер содержит первый и второй виброакустические датчики перемещения корпуса топливопровода высокого давления, первое и второе устройства предварительной обработки, первый и второй нуль-органы, коррелометр, измеритель взаимного энергетического спектра, дифференциатор, первый переключатель на два положения, измеритель максимума, измеритель временного сдвига по взаимной корреляционной функции, второй и третий переключатели на два положения, измеритель фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра, измеритель временного сдвига по взаимному энергетическому спектру, регистраторы взаимной корреляционной функции и взаимного энергетического спектра, причем первый и второй виброакустические датчики перемещения корпуса топливопровода высокого давления соединены с первым и вторым устройствами предварительной обработки соответственно, выход первого устройства предварительной обработки соединен с первым нуль-органом и с первыми входами коррелометра и измерителя взаимного энергетического спектра, выход второго устройства предварительной обработки соединен с вторым входом измерителя взаимного энергетического спектра, с входом дифференциатора и через первый переключатель на два положения в первом положении - с вторым входом коррелометра, выход дифференциатора через первый переключатель на два положения во втором положении соединен с вторым входом коррелометра, выход первого нуль-органа соединен с первым входом измерителя временного сдвига по взаимному энергетическому спектру, первый и второй выходы коррелометра соединены с измерителем максимума и вторым нуль-органом соответственно, выходы которых через второй переключатель на два положения в первом и втором положениях связаны с вторым входом измерителя временного сдвига по взаимной корреляционной функции, первый выход измерителя взаимного энергетического спектра соединен через измеритель фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра с измерителем временного сдвига по взаимному энергетическому спектру, третий выход коррелометра соединен с регистратором взаимной корреляционной функции, а второй выход измерителя взаимного энергетического спектра - с регистратором взаимного энергетического спектра, выходы измерителя временного сдвига по взаимной корреляционной функции и измерителя временного сдвига по взаимному энергетическому спектру соединены через третий переключатель на два положения в первом и втором положениях соответственно с выходом корреляционного расходомера, третьи входы коррелометра и измерителя взаимного энергетического спектра являются входом корреляционного расходомера.
Определитель опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива содержит датчик частоты вращения, преобразователь временного интервала в код, блок регистров сигнала, блок вычисления среднего значения частоты вращения, селектор уровня, датчик синхронизации, блок формирования начала отсчета угловых меток, блок синхронизации начала отсчета угловых меток, счетчик угловых меток цикла, блок формирования угловых меток контролируемого цилиндра, формирователь строба цилиндра, генератор тактовых импульсов, задатчик частоты измерения цикловой подачи топлива, задатчик угловых меток цикла, задатчик номеров угловых меток цилиндров, устройство управления, ключ угловых меток контролируемого цилиндра, переключатель на два положения, причем датчик частоты вращения через переключатель на два положения в первом положении 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 блока регистров сигнала, выход которого через блок вычисления среднего значения частоты вращения связан с первым входом селектора уровня, датчик синхронизации через последовательно соединенные блок формирования начала отсчета угловых меток и блок синхронизации начала отсчета угловых меток связан с третьим входом блока регистров сигнала и вторым входом счетчика угловых меток цикла, первый вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения, первый выход - с пятым управляющим входом блока регистров сигнала, а второй выход через блок формирования угловых меток контролируемого цилиндра - с формирователем строба цилиндра, генератор тактовых импульсов соединен с вторым входом преобразователя временного интервала в код, задатчик частоты измерения цикловой подачи топлива - с вторым входом селектора уровня, задатчик угловых меток цикла - с третьим входом счетчика угловых меток, а задатчик номеров угловых меток цилиндров - с вторым входом блока формирования угловых меток контролируемого цилиндра, причем первый вход ключа угловых меток контролируемого цилиндра соединен с выходом счетчика угловых меток, второй вход - с выходом формирователя строба цилиндра, а выход через переключатель на два положения во втором положении - с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, устройство управления соединено с вторыми управляющими входами блока вычисления среднего значения частоты вращения и блока синхронизации начала отсчета угловых меток, а также с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, выход селектора уровня является выходом определителя опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива.
-1
-1
i+1
i
1
2
i
n
1
2
1
T
s
1
2
1
2
На фиг. 1 на примере двигателя компоновки 4Р (Д-240Л) приведена экспериментальная зависимость огибающей виброимпульсов (напряжений), поступающих от одного из установленных на трубопровод высокого давления (ТВД) первого цилиндра виброакустического измерительного преобразователя (ВИП) в стационарном режиме работы ДВС на минимальной частоте холостого хода n=1100 мин (а) и в режиме разгона при достижении частоты вращения n=1700-1900 мин (б). На фиг. 2 представлены временные диаграммы сигналов (напряжений) на выходах ВИП (а), пикового инерционного детектора (б), формирователя импульсов переднего фронта (в). На фиг. 3 показано преобразование продетектированного сигнала на выходе пикового инерционного детектора (ПИД), аппроксимированного линейно-экспоненциальным импульсом (а) в линейный импульс (б). На фиг. 4 приведены нормированные автокорреляционная функция (б) и энергетический спектр (в) треугольного импульса (a): τ=t-t, t⊂[t, t, …, t, …, t];  - частота, Гц. На фиг. 5 представлены импульсы на выходе ПИД, полученные в начале s(t) и конце s(t)=s(t-τ) ТВД (а), взаимная корреляционная функция R(τ) импульсов на выходах ПИД и ее производная  (б), установка датчиков Д и Д (ВИП) по обе стороны ТВД (в), фазочастотная характеристика (г) взаимного энергетического спектра процессов s(t) и s(t). На фиг. 6 изображены структурные схемы устройства для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими состояние топливоподачи (а) и корреляционного расходомера (б). На фиг. 7 изображена структурная схема определителя опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива.
ц1
Цикловая подачи топлива секции g топливного насоса высокого давления может быть определена по количеству топлива, протекающему по ТВД:
ц1
T
T
T
3
3
2
где g - объемная подача топлива, м/с; V - объем топлива, м; ,  - длина ТВД, м; ν - скорость потока топлива, м/с; П - поперечное сечение (площадь) топливопровода, м.
T
Т
Следовательно, при известных (неизменных для конкретной марки ДВС) значениях П и , измерив значение τ, можно определить объемную подачу топлива.
1
2
1
T
Измерение расхода топлива по секциям топливного насоса осуществляется следующим образом. В условиях эксплуатации устанавливают на трубопровод высокого давления (ТВД) определенного цилиндра с помощью струбцин, клипс, прищепок и других зажимов два тензометрических или виброакустических преобразователей (датчиков, сенсоров) на расстоянии  друг от друга - у головки ТНВД и у форсунки. Сигналы этих датчиков s(t) и s(t)≈s(t-τ), представляют собой импульсные случайные процессы (фиг. 5). Текущая взаимная корреляционная функцию (ВКФ) этих процессов
11
1
где М{…} - математическое ожидание; K(τ) - автокорреляционная функция (АКФ) процесса s(t): фиг. 4,б.
12
11
T
T
T
12
1
Максимальное значение K(τ) соответствует максимуму сдвинутой АКФ K(τ-τ) при τ=τ. Следовательно, измерение значения τ можно осуществить измеряя временной (фазовый) сдвиг максимального значения K(τ) относительно времени появления процесса s(t) или его АКФ (фиг. 4,б, фиг. 5,б).
1
Установлено, что на определенном интервале частот вращения ДВС последовательность импульсов s(t) является стационарным импульсным случайным процессом. Тогда измеряемую ВКФ (2) можно представить в виде:
где Т - время анализа, полученное по множеству циклов ДВС.
Взаимный энергетический спектр (взаимная спектральная плотность) смещенного процесса (односторонняя)
1
где  - энергетический спектр (спектральная плотность) процесса s(t).
Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) взаимного энергетического спектра:
T
T
Так как ФЧХ - линейная функция частоты , то по наклону прямой 2πτ можно определить смещение τ (фиг. 5, г).
Взаимный энергетический спектр  является комплексной величиной:
T
Смещение τ определяется из зависимостей (6):
ц1
s
При низких частотах вращения двигателя крутизна изменения ВКФ при τ>0 может быть достаточно малой и заметные отличия от максимума появятся только при значительном увеличении аргумента τ, Для повышения точности и чувствительности измерения цикловой подачи топлива секции g необходимо осуществить следующее. Известно, что ВКФ случайного процесса s(t) и его производной ds(t)/dt равна производной корреляционной функции R(τ) процесса s(t):
T
ц1
Поэтому измерение  обеспечивает более точное определение максимума (фиг. 5,б) и соответственно τ.и цикловой подачи топлива секции g.
ц1
ц1
Определение цикловой подачи топлива секции ТВД g осуществляется по (1). Полученные по всем секциям ДВС значения g суммируются для получения цикловой подачи топлива двигателя в целом
ц1
Измерение g по секциям может проводится последовательно путем перестановки датчиков с одного ТВД на другой или одновременно при установке датчиков на всех ТВД.
Погрешность измерения цикловой подачи по секциям ТНВД будет определяться тем, насколько точно выделены фронты тензо- или виброимпульсов. Поэтому целесообразно устанавливать датчики с более широким спектром в области высоких частот, т.е. предпочтительно применять датчики, у которых верхняя рабочая частота может достигать несколько десятков килогерц, к которым относятся виброакустические первичные преобразователи (датчики). Виброакустические сигналы, соответствующие прохождению топлива в ТВД и снимаемые виброакустическим преобразователем, превращаются с помощью согласующего усилителя заряда в электрическое напряжение, имеющее форму импульса с широким спектром частот, которое подается на пиковый инерционный детектор (ПИД). Задача ПИД - выделить огибающую этого импульса. Чем точнее ПИД отслеживает фронт импульса, тем точнее измерение амплитуды продетектированного импульса. Кроме того, для повышения помехоустойчивости необходимо устранять сигналы от помех (от отдельных выбросов и от искажений вибросигналов в разгоне двигателя). Поэтому постоянная заряда ПИД выбирается минимально возможной, а постоянная разряда - не меньше значения, равного длительности прохождения топлива до следующего ВИП (фиг. 1, 2).
ЛЭ
ЛЭ
-
a
t
а
Импульсы на выходе ПИД можно аппроксимировать линейно-экспоненциальной зависимостью s(t)=bte, где  и b - постоянные величины (фиг. 3,а). Так как ширина спектра импульса определяется крутизной фронта импульса, т.е. его линейной частью, то достаточно рассматривать вместо импульса s(t) импульс симметричной треугольной формы
m
max
ц
max
a
-1/b
У этого импульса амплитуда A соответствует максимуму амплитуды импульса линейно-экспоненциальной формы s(t)=(1/)e, а длительность импульса τ/2 - длительности линейного участка этого импульса t=(1/ab).
Амплитудно-частотный и энергетический спектры такого импульса (фиг. 4):
где ,  - частота в герцах.
m
1
1
1
Максимальное значение импульса (10), равное A достигается при t=τ=1/α. При выделении огибающей A(t) пиковым детектором его параметры выбираются таким образом, чтобы крутизна спада напряжения на емкости при разряде была всегда меньше крутизны среза импульсов, поэтому при анализе достаточно рассмотреть воздействие на ПИД импульсов, фронт которых совпадает с (10) до момента t=τ, а срез является вертикальной прямой, т.е. полагаем τ=τ (фиг. 3,б). Известно, что относительная погрешность измерения огибающей A(t) пиковым детектором имеет вид:
з
ВП
з
ф
ВП
р
ВП
р
ВП
з
р
ф
где β=T/Т; γ=t/T; β=T/Т; T - период следования виброимпульсов; Т, Т - постоянные времени заряда и разряда ПИД; t - длительность фронта виброимпульса.
-1
1
d
i
з
i
d
p
A
Для реальных виброимпульсов, снимаемых с ТВД автотракторных ДВС в диапазоне частот вращения n=1200-2100 с, длительность фронта τ≈1…2 мс; а период до подачи топлива в соседний цилиндр не превышает T=4…6 мс;. Выбрав импульсный диод с малым выходным сопротивлением (R<10 Ом), поставив на входе ПИД повторитель напряжения с малым выходным сопротивлением (R<10 Ом) и задавшись значениями сопротивления разряда R=10 кОм и емкости С=0,5 мкФ, получим T=(R+R)C=10 мкс, T=RC=5мc. В этом случае погрешность δ существенно меньше 1%.
12
11
T
T
Максимальное значение K(τ) соответствует максимуму сдвинутой АКФ K(τ-τ) при τ=τ (1), (2).
Автокорреляционная функция (АКФ) импульса (10):
m
m
K(τ)=K(-τ),
i+1
i
m
-1/b
где τ=t-t; A=(1/a)e, .
- для треугольного импульса (10).
Неизвестное поперечное сечение ТВД можно определить при установке обоих датчиков сначала с одной стороны ТВД: , затем при установке одного из датчиков с другой стороны ТВД (фиг. 5,в): ,  откуда
ц1
При взаимно-корреляционном методе величина g может быть измерена не только путем слежения за положением максимума ВКФ, но и путем отслеживания любой другой заданной точки ВКФ.
ц1
В режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса g по фазовому сдвигу между импульсами (1), характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления известной длины и поперечного сечения на выходе топливного насоса и перед форсункой, причем фазовый сдвиг определяют по максимуму взаимной корреляционной функции указанных импульсов (2)…(3), с учетом (13), полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса (9) при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения.
Известно, что достоверность измерения тем выше, чем больше измеряемых параметров (признаков) подтверждают результат измерения.
Для повышения достоверности измерений в режиме свободного ускорения двигателя дополнительно определяют фазовый сдвиг по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов (4)…(7), полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса (9) при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения.
Для повышения достоверности измерений в режиме свободного ускорения двигателя дополнительно определяют фазовый сдвиг между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления на выходе топливного насоса и перед форсункой по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции импульса на выходе топливного насоса и скоростью импульса перемещения топливопровода перед форсункой (8), с учетом (13), полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса (9) при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения.
ц1
T
T12
T12
T
В условиях эксплуатации для удобства измерений g второй датчик может быть установлен не в конце первого трубопровода, а в начале соседнего по диаграмме распределения цилиндров. При этом существующая систематическая погрешность измерения τ может быть учтена заранее при установке одного из датчиков в конце первого ТВД, а второго - в начале соседнего по диаграмме распределения цилиндров и измерении фазового (временного) сдвига между ними τ. Определение фазового сдвига между импульсами и цикловую подачу топлива по секциям топливного насоса осуществляют аналогично предыдущим методам, с последующим вычитанием сдвига τ из фазового сдвига τ между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления.
Для повышения достоверности измерений дополнительно в стационарном режиме полной нагрузки двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса аналогично предыдущим методам.
Если неизвестно поперечное сечение ТВД, то его предварительно определяют по соотношению фазовых сдвигов между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления на выходе топливного насоса и перед форсункой, полученных при установке датчиков с одной стороны и с разных сторон топливопровода высокого давления (14), причем фазовые сдвиги между импульсами определяются аналогично предыдущим методам.
Устройство содержит корреляционный расходомер 1, определитель 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом, определитель 3 опорной частоты измерения цикловой подачи топлива, электронный ключ 4, задатчик констант 5.
T
T
Корреляционный расходомер 1 содержит топливопровод высокого давления 6, виброакустические датчики 7, устройства предварительной обработки 8, первый 9 и второй 15 нуль-органы (триггеры Шмитта), коррелометр 10, измеритель взаимного энергетического спектра 11, дифференциатор 12, первый переключатель на два положения 13, измеритель максимума 14, измеритель временного сдвига τ по ВКФ 16, второй 17 и третий 20 переключатели на два положения, измеритель фазочастотной характеристики ВЭС 18, измеритель временного сдвига τ по ВЭС 19, регистратор ВКФ 21, регистратор ВЭС 22.
Определитель 3 опорной частоты измерения, в том числе номинальной, цикловой подачи топлива содержит датчик частоты вращения 23, преобразователь временного интервала в код 24, блок регистров сигнала 25, блок 26 вычисления среднего значения частоты вращения, селектор уровня 27, датчик синхронизации 28, блок 29 формирования начала отсчета угловых меток, блок 30 синхронизации начала отсчета угловых меток, счетчик угловых меток цикла 31, блок 32 формирования угловых меток контролируемого цилиндра, формирователь строба цилиндра 33, генератор тактовых импульсов 34, задатчик 35 частоты измерения цикловой подачи топлива, задатчик 36 угловых меток цикла, задатчик 37 номеров угловых меток цилиндров, устройство управления 38, ключ угловых меток контролируемого цилиндра 39, переключатель на два положения 40.
Выход корреляционного расходомера 1 соединен с первым входом определителя 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом, выход определителя опорной частоты измерения цикловой подачи топлива 3 соединен с электронным ключом 4, выход которого связан с входом корреляционного расходомера 1, а задатчик констант 5 соединен с вторым входом определителя 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом.
1
2
1
2
1
2
T
T
T
T
T
В корреляционном расходомере 1 первый 7 и второй 7 виброакустические датчики перемещения корпуса топливопровода высокого давления 6 соединены с первым 8 и вторым 8 устройствами предварительной обработки соответственно. Выход первого устройства предварительной обработки 8 соединен с первым нуль-органом 9 и с первыми входами коррелометра 10 и измерителя взаимного энергетического сйектра 11, выход второго устройства предварительной обработки 8 соединен с вторым входом измерителя взаимного энергетического спектра 11, с входом дифференциатора 12 и через первый переключатель на два положения 13 в первом положении - с вторым входом коррелометра 10. Выход дифференциатора 12 через первый переключатель на два положения 13 во втором положении соединен с вторым входом коррелометра 10. Выход первого нуль-органа 9 соединен с первым входом измерителя временного сдвига τ по ВКФ 16. Первый и второй выходы коррелометра 10 соединены с измерителем максимума 14 и вторым нуль-органом 15 соответственно, выходы которых через второй переключатель на два положения 17 в первом и втором положениях связаны с вторым входом измерителя временного сдвига τ по ВКФ 16. Первый выход измерителя взаимного энергетического спектра 11 соединен через измеритель фазочастотной характеристики ВЭС 18 с измерителем временного сдвига τ по ВЭС 19. Третий выход коррелометра 10 соединен с регистратором взаимной корреляционной функции 21, а второй выход измерителя взаимного энергетического спектра 11 - с регистратором взаимного энергетического спектра 22. Выходы измерителя временного сдвига τ по ВКФ 16 и измерителя временного сдвига τ по ВЭС 19 соединены через третий переключатель на два положения 20 в первом и втором положениях соответственно с выходом корреляционного расходомера 1. Третьи входы коррелометра 10 и измерителя взаимного энергетического спектра 11 являются входом корреляционного расходомера 1.
В определителе 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива датчик частоты вращения 23 через переключатель 40 на два положения в первом положении связан с первым сигнальным входом преобразователя 24 временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами блока 25 регистров сигнала, выход которого через блок 26 вычисления среднего значения частоты вращения связан с первым входом селектора уровня 27. Датчик синхронизации 28 через последовательно соединенные блок 29 формирования начала отсчета угловых меток и блок 30 синхронизации начала отсчета угловых меток связан с третьим входом и вторым входом счетчика угловых меток цикла 31, первый вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения 23, первый выход - с пятым управляющим входом блока 25 регистров сигнала, а второй выход через блок 32 формирования угловых меток контролируемого цилиндра - с формирователем строба цилиндра 33. Генератор тактовых импульсов 34 соединен с вторым входом преобразователя 24 временного интервала в код, задатчик частоты измерения цикловой подачи топлива 35 - с вторым входом селектора уровня 27, задатчик угловых меток цикла 36 - с третьим входом счетчика угловых меток 31, а задатчик номеров угловых меток цилиндров 37 - с вторым входом блока 32 формирования угловых меток контролируемого цилиндра. Первый вход ключа 39 угловых меток контролируемого цилиндра соединен с выходом счетчика угловых меток 31, второй вход - с выходом формирователя строба цилиндра 33, а выход через переключатель 40 на два положения во втором положении - с первым сигнальным входом преобразователя 24 временного интервала в код. Устройство управления 38 соединено с вторыми управляющими входами блока 26 вычисления среднего значения частоты вращения и блока 30 синхронизации начала отсчета угловых меток, а также с четвертым управляющим входом блока 25 регистров сигнала. Выход селектора уровня 27 является первым, а выход формирователя строба цилиндра 33 - вторым выходом определителя 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива.
T
T
T
T
Устройство предварительной обработки 8 представляет собой последовательно соединенные согласующий усилитель заряда и пиковый инерционный детектор, выделяющий огибающую виброимпульсов согласно (10)…(12). Нуль-орган 9 выполнен по схеме аналогового триггера Шмитта и служит для выделения начала появления виброимпульса. Коррелометр 10 осуществляют измерение взаимокорреляционной функции сигналов, поступающих на его первый и второй входы, согласно (2), (3), и (13), в том числе, если один из сигналов пропущен через дифференциатор (12) и поступает на его второй вход, согласно (8). Коррелометр 10 может быть выполнен по типовой схеме в аналоговой или цифровой форме. В последнем случае на входах коррелометра должны включаться аналого-цифровые преобразователи. Измеритель максимума 14 и второй нуль-орган 15 также в зависимости от типа коррелометра могут быть выполнены в аналоговой или цифровой форме по типовым схемам. Измеритель взаимного энергетического спектра 11 сигналов, поступающих на его первый и второй входы, реализует ВЭС согласно (3)…(6) и также может быть выполнен по типовой схеме в аналоговой или цифровой форме. Измеритель временного сдвига τ по ВКФ 16 может быть выполнен по типовой схеме измерителя временных интервалов, который измеряет временной интервал τ между сигналами, поступающими на его первый и второй входы. Измеритель фазочастотной характеристики ВЭС 18 выполняет расчеты согласно (6), используя активную и реактивную составляющие ВЭС, полученные в измерителе (11), и также может быть выполнен по типовой схеме в аналоговой или цифровой форме. Измеритель временного сдвига τ по ВЭС 19 определяет временной интервал τ согласно (7), и может быть выполнен в аналоговой или цифровой форме. В последнем случае может использоваться микропроцессорный спецвычислитель. Результаты вычисления ВКФ и ВЭС и фазочастотной характеристики при необходимости могут быть выведены на регистраторы 21 и 22 (дисплеи или графопостроители).
on
В качестве датчика 23 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, или фотоэлектрический преобразователь углового перемещения коленчатого вала с большим числом угловых меток, устанавливаемый на испытательном стенде ДВС. Преобразователь 24 временного интервала в код построен по типовой схеме при заполнении временных интервалов импульсами, поступающими с генератора тактовых импульсов 34. Разрядность преобразователя 24 и регистров блока 25 определяется требуемой погрешностью преобразования временного интервала. Блок 26 вычисления среднего значения частоты вращения представляет собой арифметическое устройство (микропроцессорный спецвычислитель), осуществляющее операцию нахождения среднего арифметического значения чисел, поступающих с блока 25 регистров сигнала, а также добавление последующего и вычитание первого числа, если n<n. Центральный процессор блока 26 осуществляет: суммирование 2z чисел, поступающих с блока 25 регистров (z - число угловых меток или число временных интервалов между соседними угловыми метками); перевод полученного числа, соответствующего временному интервалу поворота коленчатого вала на 720°, в обороты/мин по известной формуле; нахождение среднего значения частоты вращения за два оборота; передачу полученного числа на селектор уровня 27 (схема сравнения кодов чисел). В качестве датчика 28 синхронизации используется виброакустический датчик перемещения корпуса ТВД, устанавливаемый на ТВД у головки ТНВД первой секции. Блок 29 формирования начала отсчета угловых меток включает в себя последовательно соединенные пиковый инерционный детектор, аналоговый дифференциатор и формирователь импульсов (триггер Шмитта). Требования к пиковому инерционному детектору аналогичны требованиям к подобному в устройстве предварительной обработки 8. Блок 30 синхронизации начала отсчета угловых меток представляет собой статический RS-триггер, на один из входов которого подаются импульсы с блока 29, а на второй - сигналы "0" или импульсный "1", которые подаются с устройства управления 38 по команде или с помощью кнопки. Задатчик 35 частоты измерения состоит из набора декадных переключателей (четыре переключателя), с помощью которых выставляется требуемая при измерении частота вращения, дешифратора и регистра, формирующего на выходе код, соответствующий этой частоте. Задатчик 36 угловых меток цикла состоит из одного или более (в зависимости от числа марок контролируемых двигателей) декадных переключателей, при каждом положении которого задается счетчику 31 число 2z подсчитываемых угловых меток. Задатчик 37 номеров угловых меток цилиндров состоит из дешифратора, соединенного своими выходами с блоком 32 формирования угловых меток контролируемого цилиндра, десятичного счетчика числа цилиндров, соединенного своими выходами с управляющими входами дешифратора; переключателя марки двигателя, соединенного своими выходами с информационными входами дешифратора. Блока 32 формирования угловых меток контролируемого цилиндра - счетчик импульсов. Формирователь строба цилиндра 33 - статический RS-триггер, на выходе которого формируется строб, длительность которого определяется длительностью рабочего такта контролируемого цилиндра, т.е. поступающими со счетчика 31 импульсами установки и сброса (первым и последним импульсами).
ϕн
ϕк
ϕн
ϕк
Устройство для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими состояние топливоподачи, работает следующим образом. Предварительно с помощью задатчика 5 устанавливается значение коэффициента , которое вводится в определитель 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя. Предварительно в определителе 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива с помощью задатчика частоты измерения цикловой подачи топлива 35 в селекторе уровня 27 устанавливается частота вращения коленчатого вала, при которой предполагается измерить цикловую подачу топлива; с помощью задатчика угловых меток цикла 36 в счетчик угловых меток цикла 31 вводится число угловых меток, поступающих с датчика частоты вращения 23; с помощью задатчика 37 номеров угловых меток цилиндров в блоке 32 формирования угловых меток контролируемого цилиндра устанавливаются угловые метки начала N и конца N рабочего такта При установке вибродатчиков одновременно на ТВД всех цилиндров устанавливаются угловые метки начала N и конца N каждого из цилиндров. При подготовке устройства к работе с помощью устройства управления 38 осуществляется сброс информации, хранящейся в регистре сигналов 25, блоке 26 вычисления среднего значения частоты, а также осуществляется подготовка к работе блока 30 синхронизации. Предварительно в корреляционном расходомере 1 устанавливают переключатели на два положения 13, 17 и 20 в первое положение.
ϕк
Датчик 23 частоты вращения формирует стандартные импульсы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости вращения вала ω, а количество N углу поворота ϕ коленчатого вала двигателя. Последовательность этих импульсов преобразуется в преобразователе 24 временного интервала в код в последовательность чисел (кодов), которые через переключатель 40 на два положения в первом положении последовательно поступают на информационный вход блока 25 регистров сигнала. Датчик синхронизации 28 формирует один импульс за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС - за 720°), Момент появления импульса синхронизации соответствует определенному моменту цикла. Блок 29 формирования начала отсчета угловых меток выделяет передний фронт импульса датчика синхронизации 28. Если на управляющем входе блока 30 синхронизации начала отсчета угловых меток стоит сигнал "0", с его выхода на третий управляющий вход блока 25 регистров сигнала поступает сигнал, запрещающий запись информации в регистры. Если на управляющий вход блока 30 поступил импульсный сигнал "1", то с приходом первого импульса с блока 29 триггер блока 30 устанавливается в другое устойчивое состояние. При этом блокируется первый вход блока 30, с выхода блока 30 сигнал поступает на третий вход блока 25 регистров сигнала, который разрешает запись в этот блок кода числа, следующего с преобразователя 24 временного интервала в код. Таким образом, первый временной интервал, записанный в блок 25 регистров сигнала, соответствует одной и той же угловой метке, следующей непосредственно за началом впрыска топлива в цилиндр, на котором установлен датчик синхронизации 28. Так как вход блока 30 заблокирован, то в блоке 25 хранятся отсчеты, начиная с первой угловой метки. Далее указанная угловая метка служит опорной и определяет нумерацию отсчетов, хранящихся в блоке 25. Погрешность, вносимая несовпадением опорного импульса с импульсом впрыска не превышает интервала между соседними угловыми метками и при достаточно большом их числе (больше ста) вносимая погрешность ничтожна.
on
on
on
on
T
T
1
1
T
T
1
2
1
2
T
T
T
T
T
T
Поступающие затем коды временных интервалов с преобразователя 24 записываются поочередно в блоке 25 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, разрешения на запись в которые поступило от задатчика 36 угловых меток цикла, которые подсчитаны счетчиком цикла 31 и при его заполнении подается с первого выхода счетчика 31 сигнал на пятый вход блока 25 регистров сигнал, который запрещает запись в этот блок чисел. Информация, хранящаяся в блоке 25 регистров сигнала поступает в блок 26 вычисления среднего значения частоты вращения. Код числа, соответствующий среднему значению частоты вращения поступает на селектор уровня 27, где сравнивается с кодом, выставленным задатчиком 35 частоты измерения цикловой подачи топлива. Селектор уровня 27 непрерывно следит за изменяющейся в разгоне и в стационарном режиме частотой вращения и фиксирует момент достижения двигателем заданного значения частоты n, при которой требуется определить цикловую подачу топлива двигателя, в том числе по секциям. В случае равенства n= n сигнал с выхода селектора 27 подается на пятый управляющий вход блока 25 регистров, который прекращает дальнейшую запись в него чисел. Если же измеренное n меньше требуемого n<n, то блок 26 вычисления среднего значения частоты вращения производит добавление кода следующего числа: (2z-1)-го или (4z-1)-го и.вычитание кода первого числа. В блоке 25 регистров сигнала хранятся числа, соответствующие 2z (или 4z) временным интервалам между соседними угловыми метками. Из- за случайности процессов впрыскивания и сгорания топлива определение частоты вращения n и цикловой подачи топлива двигателя, в том числе по секциям проводится по множеству (не менее 30) циклов (разгонов), поэтому погрешность определения указанных величин незначительная. Одновременно сигнал с выхода селектора 27 подается через электронный ключ 4 на управляющий вход корреляционного расходомера 1. В разгоне и в стационарном режиме в корреляционном расходомере 1 непрерывно измеряется измерителем временного сдвига τ по ВКФ 16 фазовый (временной) сдвиг τ между сигналом, поступающим с первого нуль-органа 9, который соответствует фронту импульса, измеренного вибродатчиком 7 (и пропущенного через устройство предварительной обработки 8), и сигналом, поступающим через второй переключатель 17 на два положения в первом положении с выхода измерителя максимума 14, который соответствует максимуму взаимной корреляционной функции, измеренной измерителем взаимной корреляционной функции 10. Одновременно непрерывно измеряется измерителем временного сдвига τ по ВЭС 19 фазовый (временной) сдвиг τ между сигналами, поступающими с вибродатчиков 7 и 7 через устройства предварительной обработки 8 и 8 на входы измерителя взаимного энергетического спектра 11, с выхода которого передаются значения (коды) активной и мнимой составляющих ВЭС в измеритель фазочастотной характеристики ВЭС 18, с выхода которого эта характеристика поступает в измеритель временного сдвига τ по ВЭС 19. При поступлении на управляющий вход корреляционного расходомера 1 сигнала дальнейшее измерение ВКФ, ВЭС и фазочастотной характеристики ВЭС блоками 10, 11 18 прекращается. Последнее значение временного сдвига τ, полученное измерителем временного сдвига τ по ВКФ 16 через третий переключатель 20 на два положения в первом положении подается на вход определителя 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя. Значение цикловой подачи секции, рассчитанное в определителе 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя, высвечивается на его цифровом табло. Значение временного сдвига τ также высвечивается на этом табло и может быть использовано при определении поперечного сечения ТВД. При установке третьего переключателя 20 на два положения во второе положение последнее значение временного сдвига τ, полученное измерителем временного сдвига τ по ВЭС 19, подается на вход определителя 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя, работа которого аналогична описанной. Последние полученные зависимости ВКФ и ВЭС могут также выводится на регистраторы 21 и 22. При переустановке вибродатчиков на соответствующие ТВД, в том числе на соседние ТВД, работа устройства аналогична. При необходимости значения цикловых подач по всем секциям могут суммироваться в определителе 2.
T
T
1
1
2
2
При предварительной установке в коррелометре 1 первого 13 и второго 17 переключателей на два положения во второе положение непрерывно измеряется измерителем временного сдвига τ по ВКФ 16 фазовый (временной) сдвиг τ между сигналом, поступающим с первого нуль-органа 9, который соответствует фронту импульса, измеренного вибродатчиком 7 (и пропущенного через устройство предварительной обработки 8), и сигналом, поступающим через второй переключатель 17 на два положения во втором положении с выхода нуль-органа 15, который соответствует нулю взаимной корреляционной функции, измеренной измерителем взаимной корреляционной функции 10, когда на его второй вход подается сигнал с выхода дифференциатора 12, который соответствует производной (скорости) импульса, измеренного вибродатчиком 7 (и пропущенного через устройство предварительной обработки 8). В остальном работа устройства аналогична описанной.
on
on
ц
ц
Для повышения в разгоне точности измерения цикловой подачи топлива секции ТНВД контролируемого цилиндра, а также всего двигателя необходимо, чтобы измерения цикловой подачи топлива всех секций ТНВД осуществлялось при наиболее точном измерении частоты n. В этом случае переключатель 40 на два положения устанавливается во второе положение и задатчиком 35 частоты измерения цикловой подачи топлива устанавливается значение частоты n/i (i - число цилиндров ДВС). На второй управляющий вход ключа 39 угловых меток контролируемого цилиндра поступает с выхода формирователя строба цилиндра 33 разрешающий сигнал для пропускания угловых меток со счетчика 31 в течение рабочего хода цилиндра на преобразователь 24 временного интервала в код. В дальнейшем работа устройства аналогична описанной.
Предлагаемый способ и устройство для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими состояние топливоподачи, могут использоваться как для исследования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания и автоматизации управления его работой, так и для определения технического состояния ДВС и его составных элементов в производственных и эксплуатационных условиях. Способ и устройство позволяют оперативно и точно получить объективное заключение о цикловой подаче (расходе) топлива, а также существенно облегчить поиск неисправностей топливной системы двигателя.
Источники информации
1. Патент №2161725 RU, МПК F02M 65/00. Способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе. Заявл. 18.08.98, №98115893/28, опубл. 10.01.2001.
2. Патент №2223413 RU, МПК F02M 65/00, G01M 15/00. Способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе. Заявл. 30.07.2002. №2002120155/06, опубл. 10.02.2004.