СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ICE DIAGNOSTICS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения неравномерности работы цилиндров и неуравновешенности двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ оценки неравномерности работы ДВС [1], 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.
Известен способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания [2], выбранный нами за прототип и заключающийся в том, 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, 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.
Недостатком известного способа являются сложность и трудоемкость, вызванные необходимостью многократных измерений в различных режимах двигателя, низкий уровень селекции сигналов работающих цилиндров относительно инерционной составляющей крутящего момента и неисправных (или отключенных) цилиндров
Известно устройство [3] для измерения мощности цилиндров двигателя внутреннего сгорания, 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.
Известно также устройство [2] для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания, выбранное нами за прототип и содержащее датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя, первый и второй селекторы 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 и второй дифференциаторы, 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, блок цифровых перестраиваемых фильтров, задатчики номеров гармоник и уровня неуравновешенности, вычислитель среднего значения и максимумов, 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, 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, выход - со вторым входом индикатора.
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.
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, а также герметичности многоцилиндровых двигателей за счет исключения необходимости многократных измерений в различных режимах двигателя, а также повысить точность диагностирования за счет улучшенной селекции сигналов работающих цилиндров относительно инерционной составляющей крутящего момента и 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 мгновенные значения за цикл, рабочий такт и за отдельные участки цикла двигателя в стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала угловых скорости и ускорения коленчатого вала, непрерывно измеряют мгновенные значения углового ускорения коленчатого вала за рабочий такт и за отдельные участки цикла двигателя в режиме разгона без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной, в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения, усредняют их по множеству циклов работы двигателя, измеряют амплитуды гармонических составляющих углового ускорения, измеряют угловые метки по параметрам впрыскивания топлива для идентификации номеров цилиндров, в стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционную функцию этого ускорения, а также максимумы импульсов автокорреляционной функции, соответствующих по времени первому после нуля и соседнему импульсу, вычитают последний максимум из предыдущего и по его значению судят о степени общей неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют энергетический спектр этого ускорения и по значению непрерывной составляющей энергетического спектра при частотах вблизи нуля судят о степени общей неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давления наддува, определяют автокорреляционную функцию или энергетический спектр этого ускорения или автокорреляционную функцию или энергетический спектр давления наддува, а также максимумы импульсов этих автокорреляционных функций, соответствующих по времени нулю и соседнему импульсу, вычитают последний максимум из предыдущего и по его значению или по значению непрерывной составляющей энергетического спектра ускорения или давления наддува при частотах вблизи нуля судят о степени общей неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционные функции этих ускорений и максимумы импульсов автокорреляционных функций и по соотношению автокорреляционных функций или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют автокорреляционные функции этих ускорений или давлений наддува, а также максимумы импульсов автокорреляционных функций ускорений или давлений наддува и по соотношению автокорреляционных функций ускорений или давлений наддува или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют взаимокорреляционные функции этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя и максимумы импульсов взаимокорреляционных функций и по соотношению взаимокорреляционных функций или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют взаимокорреляционные функции этих ускорений или давлений наддува попарно между цилиндрами в цикле двигателя, а также максимумы импульсов взаимокорреляционных функций ускорений или давлений наддува и по соотношению взаимокорреляционных функций ускорений или давлений наддува или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют энергетические спектры этих ускорений и первые максимумы этих спектров и по соотношению энергетических спектров или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют энергетические спектры этих ускорений или давлений наддува, а также первые максимумы этих спектров и по соотношению энергетических спектров ускорений или давлений наддува или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют взаимные энергетические спектры этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя и первые максимумы этих спектров и по соотношению взаимных энергетических спектров или их первых максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют взаимные энергетические спектры этих ускорений или давлений наддува попарно между цилиндрами в цикле двигателя и первые максимумы этих спектров и по соотношению взаимных энергетических спектров ускорений или давлений наддува или их первых максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционные функции этих ускорений и по их значениям при верхней мертвой точке судят о степени неуравновешенности двигателя.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют энергетические спектры этих ускорений и по значениям выбросов энергетических спектров при частотах, кратных второй гармонике частоты вращения коленчатого вала, и более низких частотах судят о степени неуравновешенности двигателя.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на периоде его оборота измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционную функцию или энергетический спектр этого ускорения, вычитают из этих функции и спектра соответственно автокорреляционные функции и энергетические спектры, измеренные на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности, и по максимуму полученной автокорреляционный функции или по гармонике с максимальной амплитудой полученного энергетического спектра судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной средней за цикл частоты вращения определяют автокорреляционную функцию или энергетический спектр этого ускорения, а также максимумы импульсов автокорреляционной функции, соответствующих по времени первому после нуля и соседнему импульсу, вычитают последний максимум из предыдущего и по его значению или по значению непрерывной составляющей энергетического спектра при частотах вблизи нуля судят о степени общей неравномерности работы цилиндров.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения определяют автокорреляционные функции этих ускорений и максимумы импульсов автокорреляционных функций и по соотношению автокорреляционных функций или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения на рабочем такте каждого цилиндра определяют энергетические спектры этих ускорений и первые максимумы этих спектров и по соотношению энергетических спектров или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения определяют взаимокорреляционные функции этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя и максимумы импульсов взаимокорреляционных функций и по соотношению взаимокорреляционных функций или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения на рабочем такте каждого цилиндра определяют взаимные энергетические спектры этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя и первые максимумы этих спектров и по соотношению взаимных энергетических спектров или их первых максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения определяют автокорреляционные функции этих ускорений и по их значениям при верхней мертвой точке судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения определяют энергетические спектры этих ускорений и по значениям выбросов энергетических спектров при частотах, кратных второй гармонике частоты вращения коленчатого вала, и более низких частотах судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на периоде его оборота измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционную функцию или энергетический спектр этого ускорения, вычитают из этих функции и спектра соответственно автокорреляционные функции и энергетические спектры, измеренные на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности, по максимуму полученной автокорреляционный функции или по гармонике с максимальной амплитудой полученного энергетического спектра судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения с привязкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения на рабочем такте каждого цилиндра определяют автокорреляционные функции этих ускорений и по максимумам импульсов автокорреляционных функций судят о герметичности цилиндров.
В режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения с привязкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения на рабочем такте каждого цилиндра определяют энергетические спектры этих ускорений и по первым максимумам этих спектров судят о герметичности цилиндров.
Поставленная задача в устройстве достигается тем, что в известное устройство дополнительно введены второй задатчик номеров угловых меток цилиндров, коррелометр, измеритель энергетического спектра, второй блок вычисления коэффициента неравномерности, с первого по четвертый вычислители максимума, первое и второе вычитающие устройства, третий селектор уровня, второй задатчик уровня неуравновешенности, датчики давления наддува и частоты вращения ротора турбокомпрессора, преобразователь напряжения в код, второй преобразователь временного интервала в код, второй и третий регистры временного хранения, второй и третий блоки регистров сигнала, первый и второй двухпозиционные переключатели на два положения, а в первый блок регистров сигнала - дополнительные вход и выход, а в индикатор - дополнительные с третьего по шестой входы, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом первого преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами первого регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход первого регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом первого блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом первого задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов первого 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 первого задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом первого блока регистров сигнала, второй выход первого дифференциатора соединен с вторым входом первого задатчика номеров угловых меток цилиндров, выход первого блока вычисления коэффициента неравномерности связан с первым входом индикатора, вторые управляющие входы первого 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 - первого регистра временного хранения, пятый - первого блока регистров сигнала, соединены со схемой подготовки к работе, датчик синхронизации последовательно соединен с блоком формирования начала отсчета угловых меток и блоком синхронизации начала отсчетов угловых меток, первый вход второго селектора уровня связан с первым задатчиком уровня неуравновешенности, а выход - со вторым входом индикатора, причем второй и третий входы второго дифференциатора связаны соответственно с выходами генератора тактовых импульсов и схемы подготовки к работе, а второй выход второго дифференциатора соединен с вторым входом второго задатчика номеров угловых меток цилиндров, первый вход которого связан с выходом первого селектора уровня, а выход - с шестым управляющим входом первого блока регистров сигнала, второй и третий выходы первого блока регистров сигнала через первый двухпозиционный переключатель на два положения в одном положении соединены с первыми сигнальными входами первого и второго дифференциатора соответственно, первый выход первого дифференциатора через второй двухпозиционный переключатель на два положения в одном положении связан с первыми сигнальными входами коррелометра и измерителя энергетического спектра, а первый выход второго дифференциатора через второй двухпозиционный переключатель на два положения в одном положении - с вторыми сигнальными входами коррелометра и измерителя энергетического спектра, выходы которых через соответствующие вычислители максимумов связаны с первым и вторым блоками вычисления коэффициента неравномерности, выход последнего соединен с третьим входом индикатора, входы первого и второго вычитающих устройств связаны соответственно с выходами коррелометра и измерителя энергетического спектра, а выходы через третий и четвертый вычислители максимумов - с вторыми входами второго и третьего селекторов уровня, второй задатчик уровня неуравновешенности соединен с первым входом третьего селектора уровня, выход которого, а также выходы коррелометра и измерителя энергетического спектра связаны с четвертого по шестой входами индикатора, причем датчик частоты вращения ротора турбокомпрессора соединен с сигнальным входом второго преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами второго регистра временного хранения, выход которого связан с первым сигнальным входом второго блока регистров сигнала, датчик давления наддува связан с сигнальным входом преобразователя напряжения в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами третьего регистра временного хранения, выход которого связан с первым сигнальным входом третьего блока регистров сигнала, вторые управляющие входы второго преобразователя временного интервала в код и преобразователя напряжения в код связаны с выходом генератора тактовых импульсов, третьи управляющие входы второго и третьего регистров временного хранения соединены с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, четвертые входы второго и третьего регистров временного хранения, пятые входы второго и третьего блоков регистров сигнала связаны со схемой подготовки к работе, вторые входы которых соединены с задатчиком угловых меток цикла, третьи и шестые входы - с выходами первого и второго задатчиков номеров угловых меток цилиндров соответственно, четвертые входы - с выходом первого селектора уровня, первый и второй выходы второго блока регистров сигнала через первый двухпозиционный переключатель на два положения во втором положении соединены с первыми сигнальными входами первого и второго дифференциатора соответственно, а первый и второй выходы третьего блока регистров сигнала через второй двухпозиционный переключатель на два положения во втором положении соединены с первыми и вторыми сигнальными входами коррелометра и измерителя энергетического спектра соответственно.
наг
В стационарном режиме за счет неравномерности вращения коленчатого вала и в режиме свободного разгона (при моменте нагрузки М=0) угловое ускорение коленчатого вала определяется зависимостью:
Д
наг
ц
вп
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>ω</mi><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>M</mi><mi>i</mi><mi>к</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>M</mi><mi>i</mi><mi>г</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>i</mi><mi>к</mi></msubsup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mi>ц</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>i</mi><mi>г</mi></msubsup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mi>ц</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>г</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mi>ζ</mi><mi>m</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup><mi>M</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>J</mi><mi>Д</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac></mrow>
где J - приведенный момент инерции ДВС и нагрузочных масс (при моменте нагрузки М=0 - это собственный приведенный к коленчатому валу момент инерции ДВС); ω - угловая скорость коленчатого вала (частота вращения
); φ - угол поворота коленчатого вала;
- индикаторный момент двигателя:
и
- компрессионная и газовая составляющие индикаторного момента;
и
- компрессионная и газовая составляющие одного цилиндра; i - число цилиндров:
- инерционная составляющая крутящего момента, содержащая регулярную составляющую, вызванную неуравновешенными инерционными силами (например, у двигателя компоновки 4-Р это вторая гармоника частоты вращения) и остаточную составляющую случайного характера, присущую всем двигателям; М - момент внутренних потерь (преимущественно трения).
наг
наг
Уравнение (1) при M=const или М=0 можно представить в виде:
m
m
где ξ - угол сдвига по фазе (по углу поворота коленчатого вала) в соответствии с диаграммой распределения вспышек по цилиндрам; ζ - угол сдвига по фазе между инерционными составляющими, зависящий от конструктивного расположения кривошипно-шатунных механизмов; индекс «1» - для одного цилиндра.
к
г
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>г</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
вп
Полное ускорение ε содержит составляющие: индикаторные компрессионную ε и газовую ε; инерционные регулярную
и остаточную
; внутренних потерь (преимущественно трения) ε. Для каждого из цилиндров составляющие полного ускорения:
ц
ц
с
i
сж
сж
i
i
сж
i
сж
i
n
q
-1
1-q
где ε - ускорение коленчатого вала, вызванное работой одного цилиндра (в дальнейшем ускорение цилиндра); ν - объем цилиндра; р - давление сжатия; p - среднее индикаторное давление; К(φ) и S(φ) - известные из теории ДВС безразмерные компрессионная и газовая (индикаторная) силовые функции: K(φ)=Г(φ)/2Д(φ); S(φ)=GГ(φ)/2σ; Г(φ)=sin(φ+β)/cosβ; Д(φ)=1+0,5(γ-1)[1-cosφ+λ(1-cosβ)]; G=[(γ-1)(q-1)]/{(ρ-1)(q-1)+ρ[1-(γ/ρ)]}; β=arcsin(λsinφ); λ=r/L; r и L - радиус кривошипа и длина шатуна; γ - степень сжатия; n и q - средние значения показателей политроп сжатия и расширения; ρ - степень предварительного расширения продуктов сгорания;
В свою очередь для четырехтактного ДВС
Функции К(φ) и S(φ), описывающие рабочий процесс в цилиндре, достаточно точно описываются линейно-экспоненциальными импульсами:
к
к
s
s
Т
Т
где φ=0 соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) цилиндра; χ, ρ, χ и ρ - постоянные для конкретной модификации двигателя величины; τ - тактность (для четырехтактного двигателя τ=2)
сж
сж
сж
сж
сж
сж
сж
il
На фиг. 1 приведены зависимости К(φ) (положительная ветвь) и S(φ) для различных значений показателей политроп сжатия и расширения (для К(φ) кривые 1 - γ=12; 2 - γ=14; 3 - γ=16; 4 - γ=20; для S(φ) кривые 1 - γ=14; 2 - γ=16; 3 - γ=20). На фиг. 2 в качестве примера приведены зависимости К(φ), S(φ) и M(φ) двигателя 4Ч 13/14.
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>i</mi><mi>к</mi></msubsup></mrow>
При определенном скоростном и нагрузочном режимах величины
,
вн
ин
наг
вн
наг
к
г
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>г</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
M, М и М являются неизменными (а значит, ε,
,
ε и ε также неизменны) и информацию о крутящем моменте и мощности двигателя и отдельных цилиндров несет газовая составляющая углового ускорения ε. Следовательно, если обеспечить разделение полного ускорения коленчатого вала ДВС на отдельные составляющие для каждого из цилиндров
, которые повторяют по форме функцию S(φ) в стационарном режиме полной нагрузки, а также в разгоне, то по ним можно оценить неравномерность работы цилиндров, а в выбеге при низких частотах вращения по составляющим
, которые повторяют по форме функцию К(φ), - герметичность отдельных цилиндров.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
-at
к
к
s
s
а
a
Активная фаза рабочего процесса цилиндра проходит на линейном участке импульса
(функции S(φ), а компрессионного процесса - на линейном участке импульса
(функции K(φ), имеющих линейно-экспоненциальную форму x(t)=bte (так как на интервале измерения величину φ можно считать линейно связанной с временем t), причем b=χ и =ρ - для К(φ), a b=χ и =ρ - для S(φ). Кроме того, ширина спектра импульса определяется крутизной фронта импульса, т.е. его линейной частью. Следовательно, достаточно рассматривать вместо импульса x(t) импульс симметричной треугольной формы
m
max
u
max
a
a
-1/b
У этого импульса амплитуда A соответствует максимуму амплитуды импульса линейно-экспоненциальной формы x(t)=(1/)e, а длительность импульса τ/2 - длительности линейного участка этого импульса t=(1/b). Амплитудно-частотный и энергетический спектры такого импульса:
где Ω=2πf, f - частота в герцах.
Автокорреляционная функция (АКФ) этого импульса:
2
1
m
u
a
a
-1/b
где τ=t-t; A=(1/)e, τ/2=(1/b).
2
2
2
2
0
0
0
0
Неуравновешенная 2-я гармоника частоты вращения двигателя компоновки 4-Р (регулярная инерционная составляющая углового ускорения коленчатого вала) описывается функцией s(t)=-Asin(Ωt+φ), где Ω=2ω; ω=2πf=const - средняя за оборот угловая скорость коленчатого вала (f - частота вращения, Гц). АКФ и односторонний энергетический спектр (Ω>0) этого процесса имеют вид:
где δ(f) - дельта-функция.
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>m</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>τ</mi><mi>u</mi></msub><mo>/</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>a</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>u</mi></msub><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>/</mo><mi>b</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
m
m
u
u
2
2
2
2
2
2
-2/b
a
На фиг. 3 приведены нормированные АКФ (6) и энергетический спектр (5) импульса (4), где
, и G(0)=[A(τ/2)]=[1/(b)](τ/2)e. На фиг. 4 приведены АКФ и энергетический спектр (7) процесса s(t)=-Asin(Ωt+φ). Из теории случайных процессов известно, что АКФ и энергетический спектр суммы некоррелированных процессов равны сумме АКФ и энергетических спектров слагаемых соответственно. На фиг. 5 приведена АКФ суммы АКФ (6) и (7), а на фиг. 6 энергетический спектр суммы энергетических спектров (5) и (8). Составляющая ускорения
, вызванная остаточными неуравновешенными силами и моментами имеет частотный спектр ниже 2-й гармоники частоты вращения и значительно более низкий уровень.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>ζ</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>A</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>A</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>r</mi><mi>ζ</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>A</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
A
ин
кζ
n
n
n
Амплитуда импульсов
из-за неравномерности работы цилиндров изменяется случайным образом и это изменение описывается нормальным случайным процессом ζ(t), который можно считать стационарным, имеющим математическое ожидание m=M{ζ(t)}=const и корреляционную функцию
, где
- дисперсия амплитуд, а rζ(τ) - нормированная корреляционная функция (коэффициент корреляции), т.е. амплитуда импульсов
модулируется случайным набором гармоник. Рабочие процессы многоцилиндровых ДВС можно представить бесконечной последовательностью равноотстоящих слабо коррелированных импульсов
(за вычетом инерционной составляющей ε), т.е. интервал корреляции τ процесса модуляции амплитуд ζ(t) сравним с периодом следования импульсов T(T=1/F). В этом случае энергетический спектр последовательности отдельно
или
:
m
l
<mrow><msub><mi>G</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>Ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msubsup><mi>m</mi><mi>A</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>Ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mi>G</mi><mi>c</mi><mrow><mo>(</mo><mi>Ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>A</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>Ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>G</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>Ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
где s(Ω) - спектр (5); r - коэффициент корреляции случайных амплитуд любой пары импульсов, номера которых отличаются друг от друга на величину l;
;
- спектры дискретной и непрерывной составляющих при нормальном законе распределений вероятностей амплитуд импульсов;
- энергетический спектр.
<mrow><msub><mi>G</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>Ω</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
n
кζ
кζ
э
u
кζ
э
кζ
n
У малоцилиндровых ДВС (N≤4) рабочие процессы можно представить бесконечной последовательностью равноотстоящих некоррелированных импульсов цилиндров с энергетическим спектром
, т.е. при T>>τ (τ - интервал корреляции процесса ζ(t)). Так как эффективная ширина спектра треугольного импульса Δf=1/τ, τ=1/4Δf (при τ>0) и при аппроксимации функции S(φ) 4-й гармоникой частоты вращения вала двигателя имеем τ/T=1/16, то импульсы цилиндров некоррелированы.
Энергетический спектр такой некоррелированной последовательности
n
d
m
u
A
n
c
m
u
A
n
2
2
Спектры (9) и (10) состоят из суммы непрерывной части и дискретных спектральных линий при частотах f=k/T, при этом G(0)=2π(Aτm/T); G(0)=(Aτσ)/T.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>к</mi></msubsup></mrow>
Энергетический спектр
равен сумме спектров (10) при соответствующих значениях параметров слагаемых.
Автокорреляционная функция случайного процесса с энергетическим спектром (10) также состоит из непрерывной и дискретной частей:
c
d
На фиг. 6 представлены энергетический спектр (10) и автокорреляционная функция (11), где 1 и 2 - непрерывная G(Ω) и дискретная G(Ω) составляющие спектра.
m
mN
Если рабочие процессы ДВС рассматривать в виде пачки N (по числу цилиндров) усредненных по множеству равноотстоящих импульсов, то в спектрах (9) и (10) необходимо заменить s(Ω) на величину S(Ω):
no
md
no
Дискретная часть АКФ (11) пачки N некоррелированных импульсов модулируется функцией K(τ), т.е. представляет собой произведение K(τ) на АКФ огибающей пачки импульсов K(τ), а именно - последовательность линейно убывающих импульсов:
тмNнк
md
no
мс
К(τ)=K(τ)K(τ)+К(τ),
no
no
n
md
no
m
A
u
n
2
где K(τ)=K(0)[1-lT/N]); l - целое число интервалов повторения импульсов, укладывающихся на оси τ; K(0)=K(0)=(Am)(τ/T).
На фиг. 7 для примера представлены энергетический спектр и автокорреляционная функция пачки некоррелированных импульсов двигателя компоновки 4-Р.
n
кζ
ζ
n
f
n
f
f
При коррелированной последовательности импульсов рабочих процессов ДВС, т.е. если значение T сравнимо с τ (особенно у многоцилиндровых ДВС), коэффициент корреляции можно полагать в виде r(τ)=(sinlTΔ)/(lTΔ), где Δ - ширина полосы низкочастотного прямоугольного спектра случайного процесса в герцах, которым модулируются амплитуды импульсов.
f
n
m
f
f
n
u
u
n
u
n
f
f
n
Ω
n
f
n
Энергетический спектр (9) бесконечной последовательности коррелированных импульсов будет иметь вид периодически повторяющихся полос шириной 2Δ на частотах, кратных 2π/T, огибающей которых будет спектр G(Ω). С ростом Δ ширина полос спектра увеличивается и при Δ=π/T спектр становится сплошным (совпадает со спектром (10)). Для пачки N импульсов (по числу цилиндров) число полос k на интервале [i/τ, (i+1)/τ], i=0, 1, 2, … определяется соотношением (k/T)/(1/τ). Например, при аппроксимации функции S(φ) 4-й гармоникой частоты вращения вала двигателя, получим k=4. Для пачки импульсов (числа цилиндров) ширина полосы определяется из условия sin(lTΔ)=0, откуда Δ=1/lT или Δ=2π/lT. Например, при l=4 имеем Δ=1/4T.
ζ
mNм
md
мпк
nNc
мпк
l
ζ
2
Для последовательности коррелированных импульсов дискретная часть АФК (11) модулируется функцией r(τ) или гауссовой кривой (в зависимости от вида низкочастотного спектра изменения амплитуд импульсов): K(τ)=K(τ)K(τ)+K(τ), где К(τ)=σ r(τ). На фиг. 8 представлены энергетический спектр и автокорреляционная функция коррелированных импульсов двигателя.
н
н
0
н
0
m
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mi>г</mi></msubsup></mrow>
Если изменение рабочих процессов горения от цилиндра к цилиндру в первом приближении можно представить гармоническим сигналом частоты Ω (например, для 4-тактных ДВС Ω-0,5(2πf) или f=1/2Т), то в спектре (9) для составляющей
амплитудно-частотный спектр S(Ω) заменяется на спектр:
Ωн
n
где m - глубина модуляции, при этом ширина полос спектра ΔΩ=2π/NT.
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>м</mi><mi>п</mi><mi>к</mi><mi>Ω</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>A</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>cos</mi><msub><mi>Ω</mi><mi>н</mi></msub><mi>τ</mi></mrow>
Для последовательности коррелированных импульсов дискретная часть АФК (11) при спектре (13) модулируется функцией
:
f
n
n
0
0
<mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>A</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo></mrow>
На фиг. 8 в этом случае при l=4 имеем для пачки импульсов в спектре Δ=1/4T, а огибающая АКФ имеет при τ=2Т=1/f=Т значение
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><msup><mrow /><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow></msup></mrow><mn>2</mn></msubsup><mi>δ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
nNм
При обработке сигналов в измерительном канале накапливаются помехи в виде квазибелого шума с АКФ вида
, которая суммируется с K(τ). При этом АКФ поднимается относительно оси абсцисс на постоянную величину
(на фигурах 5 …8 не показано).
1
2
Рабочий процесс ДВС можно рассматривать как сумму независимо работающих цилиндров, передающих энергию на коленчатый вал. Взаимные корреляционная (ВКФ) и односторонний (Ω>0) энергетический спектр (ВЭС) суммы двух некоррелированных процессов y(t)=s(t)+s(t) равны:
s1s1
s2s2
s1s1
s2s2
1
2
где K(τ) и K(τ) - АКФ, a G(Ω) и G(Ω) - энергетические спектры процессов s(t) и s(t).
Для некоррелированных процессов цилиндров (4) ВКФ и ВЭС равны сумме энергетических спектров (5) и АКФ (6), т.е. форма ВКФ и ВЭС не меняется, суммируются только соответствующие амплитуды.
ц
У малоцилиндровых двигателей (i<4) процессы цилиндров некоррелированы. У многоцилиндровых ДВС между соседними цилиндрами может существовать слабая корреляция. Поэтому целесообразно находить ВКФ и ВЭС между некоррелированными процессами цилиндров, следующих через два или три последовательно работающих цилиндра.
Из теории двигателей известно, что у ДВС, форсированных газотурбонаддувом, давление наддува прямо пропорционально эффективному крутящему моменту, а угловое ускорение ротора турбокомпрессора - угловому ускорению коленчатого вала. Поэтому обе эти величины можно использовать в стационарном режиме работы ДВС для оценки неравномерности работы цилиндров, аналогично (6), (9) …(17) определяя АКФ, ВКФ, энергетический и взаимный энергетический спектры.
Заявляемый способ осуществляется в следующей последовательности.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционную функцию этого ускорения и максимумы импульсов автокорреляционной функции, соответствующих по времени первому после нуля и соседнему импульсу, вычитают последний максимум из предыдущего и по его значению судят о степени общей неравномерности работы цилиндров.
У ДВС компоновки 4-Р, имеющих неуравновешенную вторую гармонику, значения максимумов АКФ смещаются относительно нуля τ. У многоцилиндровых ДВС первый максимум АКФ находится при τ=0.
Известно, что достоверность экспертизы тем выше, чем больше признаков (симптомов), указывают на появление той или иной неисправности. Поэтому дополнительно аналогично измеряют энергетический спектр указанного ускорения коленчатого вала и по значению непрерывной составляющей этого спектра при частотах вблизи нуля судят о степени общей неравномерности работы цилиндров. Дополнительно в стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давления наддува, определяют автокорреляционную функцию или энергетический спектр этого ускорения или автокорреляционную функцию или энергетический спектр давления наддува, а также максимумы импульсов этих автокорреляционных функций, соответствующих по времени нулю и соседнему импульсу, вычитают последний максимум из предыдущего и по его значению или по значению непрерывной составляющей энергетического спектра ускорения или давления наддува при частотах вблизи нуля судят о степени общей неравномерности работы цилиндров.
A
По измеренной дисперсии, соответствующей указанным максимумам при всех рассмотренных случаях, можно определить также экстремальные значения активных рабочих процессов цилиндров, так как для нормального распределения они равняются, примерно, 3σ. Используя полученное значение среднего значения амплитуд, которое соответствует максимуму соседнего импульса указанных АКФ или амплитуде соседней гармоники после нулевой энергетических спектров, можно оценить коэффициент неравномерности распределения мощности по цилиндрам:
С целью идентификации номеров цилиндров при определении распределения мощности по цилиндрам в стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционные функции этих ускорений и максимумы импульсов автокорреляционных функций и по соотношению автокорреляционных функций или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. В этом случае коэффициент неравномерности распределения мощности по цилиндрам можно найти, например, по формуле
mi
max
mi
min
где K(0) и K(0) - экстремальные значения автокорреляционных функций i-x цилиндров при τ=0.
Дополнительно осуществляют следующие действия.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют автокорреляционные функции этих ускорений или давлений наддува, а также максимумы импульсов автокорреляционных функций ускорений или давлений наддува и по соотношению автокорреляционных функций ускорений или давлений наддува или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично (17).
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют взаимокорреляционные функции этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя и максимумы импульсов взаимокорреляционных функций и по соотношению взаимокорреляционных функций или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично (17), подставляя соответствующие значения взаимокорреляционных функций.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют взаимокорреляционные функции этих ускорений или давлений наддува попарно между цилиндрами в цикле двигателя, а также максимумы импульсов взаимокорреляционных функций ускорений или давлений наддува и по соотношению взаимокорреляционных функций ускорений или давлений наддува или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично предыдущему случаю.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют энергетические спектры этих ускорений и первые максимумы этих спектров и по соотношению энергетических спектров или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично (17), подставляя вместо корреляционных функций соответствующие значения энергетических спектров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют энергетические спектры этих ускорений или давлений наддува, а также первые максимумы этих спектров и по соотношению энергетических спектров ускорений или давлений наддува или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично предыдущему случаю.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют взаимные энергетические спектры этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя и первые максимумы этих спектров и по соотношению взаимных энергетических спектров или их первых максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично (17), подставляя вместо корреляционных функций соответствующие значения взаимных энергетических спектров.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности у двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения ротора турбокомпрессора или давлений наддува, определяют взаимные энергетические спектры этих ускорений или давлений наддува попарно между цилиндрами в цикле двигателя и первые максимумы этих спектров и по соотношению взаимных энергетических спектров ускорений или давлений наддува или их первых максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Коэффициент неравномерности можно определить аналогично предыдущему случаю.
Оценку неуравновешенности двигателя осуществляют в следующей последовательности.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционные функции этих ускорений и по их значениям при верхней мертвой точке судят о степени неуравновешенности двигателя.
Дополнительно осуществляют следующие действия.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют энергетические спектры этих ускорений и по значениям выбросов энергетических спектров при частотах, кратных второй гармонике частоты вращения коленчатого вала, и более низких частотах судят о степени неуравновешенности двигателя.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на периоде его оборота измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционную функцию этого ускорения, вычитают из нее автокорреляционные функции, измеренные на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности, и по максимуму полученной автокорреляционный функции судят о степени неуравновешенности двигателя.
В стационарном режиме полной нагрузки при заданной заранее частоте вращения коленчатого вала с привязкой по углу поворота коленчатого вала на периоде его оборота измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют энергетический спектр этого ускорения, вычитают из него энергетические спектры, измеренные на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности, и по гармонике с максимальной амплитудой полученного энергетического спектра судят о степени неуравновешенности двигателя.
В эксплуатационных условиях техническое состояние ДВС можно оценить с помощью методов экспресс-диагностики. При этом осуществляют следующие действия.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной средней за цикл частоты вращения определяют автокорреляционную функцию, а также энергетический спектр этого ускорения и максимумы импульсов автокорреляционной функции, соответствующих по времени первому после нуля и соседнему импульсу, вычитают последний максимум из предыдущего и по его значению, а также по значению непрерывной составляющей энергетического спектра при частотах вблизи нуля судят о степени общей неравномерности работы цилиндров. Оценку неравномерности работы цилиндров осуществляют аналогично (16).
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной средней за цикл частоты вращения определяют автокорреляционные функции и энергетические спектры этих ускорений, а также максимумы импульсов автокорреляционных функций и первые максимумы энергетических спектров и  по соотношению автокорреляционных функций или энергетических спектров или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Оценку неравномерности работы цилиндров осуществляют аналогично (17).
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной средней за цикл частоты вращения определяют взаимокорреляционные функции и взаимные энергетические спектры этих ускорений попарно между цилиндрами в цикле двигателя, а также максимумы импульсов взаимокорреляционных функций и первые максимумы энергетических спектров и по соотношению взаимокорреляционных функций или взаимных энергетических спектров или их максимумов судят о степени неравномерности работы цилиндров. Оценку неравномерности работы цилиндров осуществляют аналогично (17).
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения определяют автокорреляционные функции этих ускорений и по их значениям при верхней мертвой точке судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной частоты вращения определяют энергетические спектры этих ускорений и по значениям выбросов энергетических спектров при частотах, кратных второй гармонике частоты вращения коленчатого вала, и более низких частотах судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме разгона двигателя без нагрузки от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной с привязкой по углу поворота коленчатого вала на периоде его оборота измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, определяют автокорреляционную функцию или энергетический спектр этого ускорения, вычитают из этих функции и спектра соответственно автокорреляционные функции и энергетические спектры, измеренные на рабочем такте каждого цилиндра по отдельности, по максимуму полученной автокорреляционный функции или по гармонике с максимальной амплитудой полученного энергетического спектра судят о степени неуравновешенности двигателя.
В режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения с привязкой по углу поворота коленчатого вала на такте сжатия каждого цилиндра по отдельности измеряют по множеству циклов двигателя мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, при достижении двигателем заданной средней за цикл частоты вращения определяют автокорреляционные функции или энергетические спектры этих ускорений и по максимумам импульсов автокорреляционных функций или по первым максимумам энергетических спектров судят о герметичности цилиндров.
Для точного и достоверного определения состояния ДВС необходимо измерить признаки состояния отдельных цилиндров, а следовательно, ДВС в целом, при одной и той же частоте вращения. Так как усреднение идет по множеству разгонов (не менее 30), то в силу случайности процессов горения топлива можно считать, что все цилиндры находятся в одном скоростном режиме. Поэтому при измерении частоты вращения и определении «заранее заданной частоты вращения» необходимо «предварительное измерение средних значений угловой скорости за цикл» - для 2-тактного ДВС за один, а для 4-тактного двигателя за два оборота коленчатого вала с последующим делением на два. Для более точной идентификации нахождения цилиндров при одной и той же частоте вращения (когда оцениваются термодинамические процессы) измеряют средние значения угловой скорости только за рабочие такты отдельных цилиндров с последующей экстраполяцией на весь оборот (для ДВС компоновки 4-Р с последующим умножением на 2). В случае многоцилиндровых ДВС (более 4 цилиндров) происходит частичное перекрытие рабочих тактов. Поэтому измеряют средние значения угловой скорости «за отдельные участки цикла», т.е. за начальные неперекрытые участки рабочих тактов. Это необходимо осуществлять также в разгоне или выбеге двигателя.
Устройство содержит датчик частоты вращения 1, первый преобразователь временного интервала в код 2, первый регистр временного хранения 3, датчик синхронизации 4, блок 5 формирования начала отсчета угловых меток, блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток, первый блок 7 регистров сигнала, задатчик 8 угловых меток цикла, первый 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 вычисления коэффициента неравномерности, индикатор 15, генератор тактовых импульсов 16, схему подготовки к работе 17, второй дифференциатор 18, второй задатчик 19 номеров угловых меток цилиндров, первый и второй двухпозиционные переключатели на два положения 20 и 21, второй селектор уровня 22, задатчик уровня неуравновешенности 23, коррелометр 24, измеритель энергетического спектра 25, первый 26 и второй 27 вычислители максимума, второй блок 28 вычисления коэффициента неравномерности, первое 29 и второе 30 вычитающие устройства, третий 31 и четвертый 32 вычислители максимума, третий селектор уровня 33, второй задатчик уровня неуравновешенности 34, датчик частоты вращения ротора турбокомпрессора 35, второй преобразователь временного интервала в код 36, второй регистр временного хранения 37, второй блок 38 регистров сигнала, датчик давления наддува 39, преобразователь напряжения в код 40, третий регистр временного хранения 41, третий блок 42 регистров сигнала.
Датчик 1 частоты вращения связан с первым сигнальным входом первого 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 временного хранения соединен с выходом блока 6 синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра 3 временного хранения связан с первым сигнальным входом блока 7 регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком 8 угловых меток цикла и выходом первого задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров. Один из выходов блока 7 регистров сигнала через блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл связан с одним из входов первого селектора уровня 11, второй вход которого соединен с задатчиком 12 частоты измерения мощности, а выход - с первым входом первого задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока 7 регистров сигнала. Второй выход первого цифрового дифференциатора 13 соединен с вторым входом первого задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров. Выход первого блока 14 вычисления коэффициента неравномерности связан с первым входом индикатора 15, вторые управляющие входы первого преобразователя временного интервала в код 2 и первого дифференциатора 13 соединены с выходом генератора тактовых импульсов 16. Установочные входы: третий - первого дифференциатора 13, вторые - блока 6 синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 10, четвертый - регистра 3 временного хранения и пятый - блока 7 регистров сигнала, соединены со схемой 17 подготовки к работе. Датчик синхронизации 4 последовательно соединен с блоком 5 формирования начала отсчета угловых меток и блоком 6 синхронизации начала отсчетов угловых меток. Первый вход второго селектора уровня 22 связан с первым задатчиком уровня неуравновешенности 23, а выход - с вторым входом индикатора 15. Второй и третий входы второго дифференциатора 18 связаны соответственно с выходами генератора 16 тактовых импульсов и схемы 17 подготовки к работе, а второй выход второго дифференциатора 18 соединен с вторым входом второго 19 задатчика номеров угловых меток цилиндров, первый вход которого связан с выходом первого 11 селектора уровня, а выход - с шестым управляющим входом первого 7 блока регистров сигнала. Второй и третий выходы блока 7 регистров сигнала соединены через первый двухпозиционный переключатель на два положения в одном положении с первыми сигнальными входами первого 13 и второго 18 цифровых дифференциаторов. Первый выход первого дифференциатора 13 через второй двухпозиционный переключатель 21 на два положения в одном положении связан с первыми сигнальными входами коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25, а первый выход второго дифференциатора 18 через второй двухпозиционный переключатель 21 на два положения в одном положении - с вторыми сигнальными входами коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25, выходы которых через соответствующие вычислители максимумов 26 и 27 связаны с первым 14 и вторым 28 блоками вычисления коэффициента неравномерности, выходы которых в свою очередь соединены с первым и третьим входами индикатора 15. Входы первого 29 и второго 30 вычитающих устройств связаны соответственно с выходами коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25, а выходы через третий 31 и четвертый 32 вычислители максимумов - с вторыми входами второго 22 и третьего 33 селекторов уровня. Второй задатчик 34 уровня неуравновешенности соединен с первым входом третьего 33 селектора уровня, выход которого, а также выходы коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 связаны с четвертого по шестой входами индикатора 15. Датчик 35 частоты вращения ротора турбокомпрессора соединен с сигнальным входом второго преобразователя 36 временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами второго 37 регистра временного хранения, выход которого связан с первым сигнальным входом второго 38 блока регистров сигнала. Датчик давления наддува 39 связан с сигнальным входом преобразователя 40 напряжения в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами третьего 41 регистра временного хранения, выход которого связан с первым сигнальным входом третьего 42 блока регистров сигнала. Вторые управляющие входы второго 36 преобразователя временного интервала в код и преобразователя 40 напряжения в код связаны с выходом генератора тактовых импульсов 16, третьи управляющие входы второго 37 и третьего 41 регистров временного хранения соединены с выходом блока 6 синхронизации начала отсчета угловых меток, четвертые входы второго 37 и третьего 41 регистров временного хранения, пятые входы второго 38 и третьего 42 блоков регистров сигнала связаны со схемой 17 подготовки к работе, вторые входы которых соединены с задатчиком 8 угловых меток цикла, третьи и шестые входы - с выходами первого 9 и второго 19 задатчиков номеров угловых меток цилиндров соответственно, четвертые входы - с выходом первого 11 селектора уровня. Первый и второй выходы второго 38 блока регистров сигнала через первый 20 двухпозиционный переключатель на два положения во втором положении соединены с первыми сигнальными входами первого 13 и второго 18 дифференциатора соответственно, а первый и второй выходы третьего 42 блока регистров сигнала через второй 21 двухпозиционный переключатель на два положения во втором положении соединены с первыми и вторыми сигнальными входами коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 соответственно.
φ
on
φн
φк
φн
φк
Датчик 1 частоты вращения формирует стандартные импульсы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости вращения вала ω, количество N - углу поворота φ 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°). 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 через первый 20 двухпозиционный переключатель на два положения в первом положении первой позиции - 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 стационарном режиме и в разгоне частотой вращения и фиксирует момент достижения двигателем заданного значения частоты n, 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 соответствии с выставленными первым задатчиком 9 номерами угловых меток начала N и N конца каждого из цилиндров на первый дифференциатор 13 подаются соответствующие коды и вычисляются ускорения на участках рабочих ходов цилиндров по известным формулам. Аналогично в соответствии с выставленными вторым задатчиком 19 номерами угловых меток начала N и N конца каждого из цилиндров по заданной последовательности на второй дифференциатор 18 с третьего выхода блока 7 регистров через первый 20 двухпозиционный переключатель на два положения в первом положении второй позиции - на первый сигнальный вход второго цифрового дифференциатора 18 подаются соответствующие коды и вычисляются ускорения на участках рабочих ходов цилиндров по известным формулам, которые могут быть сдвинуты относительно вычисленных дифференциатором 13 в соответствии с задаваемой последовательностью чередования цилиндров. Преобразование временных интервалов преобразователем 2 и управление дифференциаторами 13 и 18 осуществляется с помощью генератора 16 тактовых импульсов. Вычисленные блоками 13 и 18 коды ускорений в стационарном режиме или в разгоне и в выбеге подаются через второй 21 двухпозиционный переключатель на два положения в первом положении на сигнальные входы коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 соответственно для вычисления авто- и взаимокорреляционных функций, энергетических и взаимоэнергетических спектров. Вычислители максимумов 26 и 27 определяют соответственно максимумы авто- и взаимокорреляционных функций, энергетических и взаимоэнергетических спектров и передают их в первый 14 и второй 28 блоки вычисления коэффициента неравномерности. В этих блоках производится усреднение по множеству циклов двигателя кодов, поступающих с соответствующих блоков 26 и 27, их хранение и вычисление коэффициентов неравномерности последовательно в соответствии с режимами измерения по формулам (16) и (17). В режиме измерения неуравновешенности двигателя коды сигналов с выходов коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 подаются соответственно на первый 29 и второй 30 вычитающие устройства, с помощью которых производится выделение неуравновешенной составляющей согласно формул (7) и (8), а также фиг. 5 и 6. Третий 31 и четвертый 32 вычислители максимумов определяют соответствующие максимумы неуравновешенной составляющей и подают коды этих сигналов для сравнения на вторые входы второго 22 и третьего 33 селекторов уровня соответственно, на первые входы которых поступают коды с задатчиков уровня неуравновешенности 23 и 34, в которых хранятся коды допустимого для данного двигателя уровня неуравновешенности. В режиме измерения неуравновешенности двигателя по значениям автокорреляционной функции при верхней мертвой точке, а также по значениям выбросов энергетических спектров при частотах, кратных второй гармонике частоты вращения коленчатого вала, и более низких частотах коды сигналов с выходов коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 подаются через первый 29 и второй 30 вычитающие устройства без вычитания (вычитание нуля) на третий 31 и четвертый 32 вычислители максимумов. Сравнение кодов происходит аналогично предыдущему. При превышении заданного допускаемого уровня неуравновешенности сигнал подается на второй вход индикатора 15, на котором он высвечивается в абсолютной величине или в процентах.
Результаты измерения коэффициентов неравномерности с блоков 14 и 28, авто- и взаимокорреляционных функций, энергетических и взаимоэнергетических спектров с выходов коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 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, в первом 13 и втором 18 дифференциаторах, а также осуществляется подготовка к работе блока 6 синхронизации.
Для повышения достоверности диагностирования двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют в стационарном режиме с помощью датчика 35 частоту вращения ротора турбокомпрессора. Так как частота вращения ротора турбокомпрессора более чем в десять раз превышает частоту вращения коленчатого вала ДВС, в силу случайности процессов горения топлива и усреднения по множеству циклов при снятии даже одной метки за оборот ротора числа угловых меток достаточно для измерения неравномерности вращения ротора. Датчик 35 формирует стандартные импульсы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости (частоте вращения) ротора. Последовательность этих импульсов преобразуется во втором преобразователе 36 временного интервала в код в последовательность чисел (кодов), которые поступают на второй регистр временного хранения 37, затем последовательно - на информационный вход второго блока 38 регистров сигнала. У двигателя, форсированного газотурбонаддувом, измеряют в стационарном режиме с помощью датчика 39 давление наддува. Сигнал с датчика 39 преобразуется преобразователем 40 напряжения в код, последовательность чисел (кодов) с выхода которого поступают на третий регистр временного хранения 41, затем последовательно - на информационный вход третьего блока 42 регистров сигнала. Управление блоками 36 …42 проводится аналогично управлению соответствующими блоками 2, 3 и 7. Число отсчетов давления, получаемых преобразователем 40 напряжения в код, заранее устанавливается по числу регистров блока 42 регистров сигнала путем включения в работу преобразователя напряжения в код, каждым n-м импульсом, поступающим с генератора тактовых импульсов 16 и подсчитанным счетчиком в блоке 40. Таким образом, в блоках 38 и 42 регистров сигнала хранится 2Z (или 4Z) чисел. С первого и второго выходов блока 38 регистров сигнала через первый 20 двухпозиционный переключатель на два положения во втором положении коды чисел поступают на первые сигнальные входы первого 13 и второго 18 цифровых дифференциаторов. Вычисление ускорений на участках рабочих ходов цилиндров по известным формулам проводится аналогично предыдущему. С первого и второго выходов блока 42 регистров сигнала через второй 21 двухпозиционный переключатель на два положения во втором положении коды чисел поступают на первые и вторые входы коррелометра 24 и измерителя энергетического спектра 25 соответственно. Определение распределения мощности по цилиндрам по сигналам неравномерности вращения ротора турбокомпрессора и давления наддува проводится аналогично предыдущему.
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. Преобразователи 2 и 36 временного интервала в код, а также преобразователь 40 напряжения в код построены по известным схемам. 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 трубопроводе которого 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 преобразователей 2 и 36, регистров 3 и 37, а также регистров блоков 7 и 38 определяется требуемой погрешностью преобразования временного интервала в код. Разрядность преобразователя 40, регистров 41 и 42 определяется требуемой погрешностью преобразования напряжения в код. 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 блоков 7, 38 и 42, на которые подается сигнал разрешения записи. Первый задатчик 9 номеров угловых меток цилиндров состоит из дешифратора, соединенного своими выходами с блоками регистров 7, 38 и 42, 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 блоков 7, 38 и 42 регистров сигналов. Количество этих выходов определяется числом меток, приходящихся на рабочий такт контролируемого цилиндра. При установке переключателя в заданное положение на управляющие входы соответствующих групп дешифратора подается потенциал, разрешающий коммутацию регистров блоков 7, 38 и 42 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.
Второй задатчик 19 номеров угловых меток цилиндров построен аналогично первому 9, за исключением того, что его второй вход связан с выходом второго дифференциатора 18, а выход - с шестыми входами блоков 7, 38 и 42 регистров сигналов. Принцип работы задатчика 19 аналогичен работе задатчика 9.
on
on
on
on
1
-1
Блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл представляет собой арифметическое устройство (микропроцессорную систему или микроЭВМ), содержащую регистр ввода, общую шину, центральный процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), таймер, постоянное запоминающее устройство, управляющее устройство (дешифратор адреса). Блок 10 осуществляет операцию нахождения среднего арифметического значения чисел, поступающих с блока 7 регистров, а также добавление последующего и вычитание первого числа, если n<n в стационарном режиме и разгоне; n>n в стационарном режиме и 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 устройства 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°, в мин по известной формуле; нахождение среднего значения частоты вращения за два оборота; передачу полученного числа на первый селектор уровня 11; при выполнении неравенства n<n в стационарном режиме и в разгоне или n>n в стационарном режиме и выбеге, добавление кода следующего (2Z+1)-го или (4Z+1)-го числа и вычитание кода первого числа Z. Полученное в блоке 10 число сравнивается в селекторе 11 с опорным значением, установленным заранее задатчиком 12, и в случае их равенства сигнал с выхода селектора 11 подается на четвертые  управляющие входы блоков 7, 38 и 42 регистров сигнала, который прекращает дальнейшую запись в них чисел.
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 13 и второй 18 дифференциаторы является арифметическими устройствами (например, микро-ЭВМ), осуществляющими последовательный расчет ускорения на рабочем такте каждого из цилиндров по известной формуле. Необходимые для этого коды чисел, хранящихся в регистрах блоков 7 или 38, передаются на первый 13 и второй 18 дифференциаторы. Номера этих чисел определяются задатчиками 9 и 19 соответственно. В качестве таймера, управляющего работой первого 13 и второго 18 дифференциаторов, может использоваться генератор 16 тактовых импульсов (он может также управлять работой блоков 10, 14, 28, 36 и 40). Блоки 14 и 28 вычисления коэффициента построены аналогично блоку 10 и определяют неравномерность работы цилиндров по формулам (16) и (17). При недостаточном быстродействии блоков 14 и 28 для обеспечения расчетов при быстром переходе с режима разгона на выбег емкость блоков регистров 7 и 38 может быть увеличена дополнительно для хранения 2Z отсчетов, измеренных на выбеге. Результаты вычисления индицируются на цифровом табло или дисплее (индикаторе 15). В качестве схемы 17 подготовки к работе может выступать кнопка, соединенная с формирователем импульсов.
Второй 22 и третий 33 селекторы уровня построены аналогично первому селектору 11 и осуществляют сравнение кодов, поступающих с третьего 31 вычислителя максимумов и первого задатчика 23 уровня неуравновешенности на второй 22 селектор уровня, а также с четвертого 32 вычислителя максимумов и второго задатчика 34 уровня неуравновешенности на третий 33 селектор уровня. Задатчики 23 и 34 уровня неуравновешенности выполняются аналогично задатчику 12 частоты измерения мощности.
Коррелометр 24 и измеритель энергетического спектра 25 построены по известным схемам цифровых устройств и могут быть реализованы также на микропроцессорных спецвычислителях или микроЭВМ. Например, коррелометр 24 измеряет АКФ и ВКФ (6), (11), (14) (15) и содержит схему задержки (сдвига) в одном из каналов (на сдвиговом регистре) и арифметическое устройство, реализующее операции суммирования и умножения:
n
где N значений процесса [x], (n=1, 2, …, N) взяты через равный интервал времени Δt из реализации x(t)=x(nΔt) для АКФ и x(t)=x(nΔt) и y(t)=y(nΔt) - для ВКФ, причем y(t) - реализация, взятая на рабочем такте другого цилиндра ДВС; m<N.
Измеритель энергетического спектра 25 измеряет односторонний энергетический и взаимный энергетический спектры (5), (8), (9), (10), (15) и содержит схему задержки (сдвига) в одном из каналов (на сдвиговом регистре) и арифметическое устройство, реализующее операции суммирования и умножения:
i
i
i
in
in
k
где у каждой реализации x(t) для энергетического спектра, x(t) и y(t) - для взаимного энергетического спектра взято N отсчетов x и y; f=k/(NΔt).
АКФ, ВКФ, энергетический и взаимный энергетический спектры могут быть вычислены также любым другим способом, в том числе с применением быстрого преобразования Фурье процессов или с помощью стандартного прикладного пакета программ.
Первое 29 и второе 30 вычитающие устройства, третий 31 и четвертый 32 вычислители максимума также построены по известным схемам цифровых устройств нахождения максимального числа на заданном интервале.
В качестве датчика 35 частоты вращения ротора турбокомпрессора может быть применен индукционный первичный преобразователь, устанавливаемый в корпусе напротив крыльчатки, с последующим включением триггера Шмитта и ждущего мультивибратора, формирующих импульсы стандартизированной длительности и амплитуды. В качестве датчика 39 давления наддува может быть применен пьезоэлектрический первичный преобразователь с последующим включением согласующего усилителя заряда.
Служебные связи между вычислительными блоками 10, 13, 14, 18, 24 …32 и остальными (′′запрос на прерывание′′, ′′готовность к обслуживанию внешних устройств′′ и др.) на фиг. 9 не показаны, как несущественные.
Перед началом измерений оператором устанавливается с помощью задатчика 8 требуемая длина массива чисел, записываемых в блоки 7, 38 и 42 регистров сигнала, с помощью задатчика 9 задается нумерация отсчетов, хранящихся в блоках 7, 38 и 42 регистров сигнала в соответствии с чередованием рабочих тактов цилиндров. С помощью задатчика 19 задается нумерация отсчетов, хранящихся в блоках 7, 38 и 42 регистров сигнала в соответствии с требуемым чередованием рабочих тактов цилиндров при расчете взаимокорреляционных функций и взаимных энергетических спектров. С помощью задатчиков 23 и 34 устанавливается допускаемый уровень неуравновешенности ДВС. С помощью схемы 17 подготовки к работе осуществляется установка в исходное состояние регистров 3, 37 и 41 временного хранения, блоков 7, 38 и 42 регистров сигнала, блока 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, первого дифференциаторов 13 и 18, триггер блока 6 устанавливается в одно из устойчивых состояний. С помощью схемы 17 может осуществляться также установка в исходное состояние также блоков 24 и 25. 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 регистры 3, 37 и 41 кодов, поступающих с преобразователей 2, 36 и 40 соответственно. 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, 38 и 42 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, 38 и 42. 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 опережения и, кроме того, между моментами впрыска и началом 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 №1629777 SU, кл. G01M 15/00. Способ оценки неравномерности работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления. Заявл. 04.08.88, №4471154/06, опубл. 1991, бюл. №7.
2. Патент №2208771 RU, кл. G01M 15/00. Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления. Заявл. 21.03.2001, №2001107684/06, опубл. 2003, бюл. №20.
3. Авторское свидетельство СССР №1789898 SU, кл. G01L 23/08. Устройство для измерения мощности цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Заявл. 02.07.90, №4866570/10, опубл. 1993, бюл. №3.