АНАЛИЗАТОР РАБОТЫ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для измерения параметров системы электростартерного пуска, системы зажигания, системы электроснабжения и определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя.
Известен анализатор работы систем двигателя внутреннего сгорания (патент на изобретение РФ №2274845 МПК G01M 15/00 от 20.04.2006 г., бюл. №11, патент на полезную модель №51738 МПК G01M 15/00 от 27.02.2006 г., бюл. №6) [1-2], содержащий детектор тока стартера, генератор импульсов момента зажигания, компаратор, умножитель частоты тока стартера, блок совпадения с двумя входами, индикатор среднего значения тока, инвертор, пиковые детекторы максимального и минимального значений амплитуды тока стартера, индикатор разности напряжений, вольтметр постоянного тока и амперметр с датчиком тока, причем первый выход детектора тока стартера прямо и через инвертор и первый и второй выходы генератора импульсов момента зажигания соединены со входами компаратора, умножитель частоты включен между вторым выходом детектора тока стартера и входом блока совпадения, другой вход которого соединен с выходом компаратора, пиковые детекторы включены между вторым выходом детектора тока стартера и индикатором разности напряжений, а индикатор среднего значения тока подключен к третьим выходам детектора тока стартера и генератора импульсов момента зажигания, вольтметр постоянного тока подключен параллельно входу детектора тока стартера, а датчик тока устанавливается на провод, соединяющий плюсовой вывод батареи со стартером двигателя, обхватывая провод своими зажимами, интегратор с датчиком напряжения и двумя входами: суммирующим и вычитающим, вольтметр, включенный параллельно выходу интегратора, реле времени с двумя парами контактов и контрольной лампой, а нагрузка входного транзистора генератора импульсов момента зажигания выполнена на двух последовательных резисторах, причем датчик напряжения устанавливается на высоковольтный провод катушки зажигания, обхватывая его своими зажимами, а его выход соединяется поочередно через одну пару контактов реле времени с суммирующими и вычитающими входами интегратора, а вторая пара контактов реле времени подключена параллельно одному из резисторов нагрузки входного транзистора генератора импульсов момента зажигания.
Недостатком данного устройства является малое число диагностируемых параметров систем двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат направлен на расширение числа диагностируемых параметров систем двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в анализатор работы систем двигателя внутреннего сгорания содержащий детектор тока стартера, генератор импульсов момента зажигания, компаратор, умножитель частоты тока стартера, блок совпадения с двумя входами, индикатор среднего значения тока, инвертор, пиковые детекторы максимального и минимального значений амплитуды тока стартера, индикатор разности напряжений, вольтметр постоянного тока и амперметр с датчиком тока, причем первый выход детектора тока стартера прямо и через инвертор и первый и второй выходы генератора импульсов момента зажигания соединены со входами компаратора, умножитель частоты включен между вторым выходом детектора тока стартера и входом блока совпадения, другой вход которого соединен с выходом компаратора, пиковые детекторы включены между вторым выходом детектора тока стартера и индикатором разности напряжений, а индикатор среднего значения тока подключен к третьим выходам детектора тока стартера и генератора импульсов момента зажигания, вольтметр постоянного тока подключен параллельно входу детектора тока стартера, а датчик тока устанавливается на провод, соединяющий плюсовой вывод батареи со стартером двигателя, обхватывая провод своими зажимами, интегратор с датчиком напряжения и двумя входами: суммирующим и вычитающим, вольтметр, включенный параллельно выходу интегратора, реле времени с двумя парами контактов и контрольной лампой, а нагрузка входного транзистора генератора импульсов момента зажигания выполнена на двух последовательных резисторах, причем датчик напряжения устанавливается на высоковольтный провод катушки зажигания, обхватывая его своими зажимами, а его выход соединяется поочередно через одну пару контактов реле времени с суммирующими и вычитающими входами интегратора, а вторая пара контактов реле времени подключена параллельно одному из резисторов нагрузки входного транзистора генератора импульсов момента зажигания дополнительно введено осциллографическое устройство, которое через усилитель сигнала подключено к диагностируемому генератору переменного тока, а через усилитель развертки подключено к преобразователю напряжения, нагрузочный и переменный резисторы.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый анализатор отличается введением в него дополнительных элементов и схемой их подключения к системе электроснабжения, а именно: осциллографическое устройство, которое через усилитель сигнала подключено к диагностируемому генератору переменного тока, а через усилитель развертки подключено к преобразователю напряжения, нагрузочный и переменный резисторы.
Введение указанных элементов позволяет дополнительно контролировать техническое состояние генератора переменного тока, что расширяет число диагностируемых параметров и позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию: «Существенные отличия».
Устройство поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена блок схема анализатора работы систем двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 - вольтамперная характеристика батареи.
Анализатор работы систем двигателя внутреннего сгорания содержит детектор тока стартера 1 (фиг.1), генератор 2 импульсов момента зажигания, выходы которых прямо и через инверторы 28 и 41 соединены со входами компаратора 3, умножитель 4 частоты тока стартера, блок 5 совпадения с двумя входами, соединенными соответственно с выходами компаратора и умножителя частоты, причем вход умножителя частоты соединен с одним из выходов детектора 1 тока стартера, и входами пиковых детекторов 7 и 8 максимального минимального значений амплитуды тока стартера, выходы которых соединены с индикатором 9 разности напряжений, индикатор 6 среднего значения тока, вход которого соединен с одним из выходов генератора 2 импульсов момента зажигания, вольтметр 10 постоянного тока, подключенный параллельно входу детектора 1 тока стартера, амперметр 11 с датчиком 12 тока, устанавливаемым на провод, соединяющим плюсовой вывод батареи 20 со стартером 21 и обхватывающим его своими зажимами, интегратор 13 с датчиком напряжения 14, устанавливаемый на высоковольтный провод катушки зажигания 37 и двумя входами: суммирующим и вычитающим, вольтметр 15, включенный параллельно выходу интегратора 13, реле времени 16 с двумя парами контактов 17 и 18 и контрольной лампой 19, причем пара контактов 17 соединена со входами интегратора 13, а вторая пара контактов 18 подключена параллельно резистору 40 нагрузки входного транзистора 25 генератора 2 импульса момента зажигания. В состав детектора 1 тока стартера входит операционный усилитель 22, амплитудный детектор 23 и амплитудный компаратор 24. Генератор 2 импульсов момента зажигания состоит из входного транзистора 25 с резисторами 39 и 40 нагрузки формирующего усилителя 26, двух инверторов 27 и 28 и одновибратора 29. Выход одновибратора 29 соединен с отсекающим входом амплитудного детектора 23, вход компаратора 3 образован двумя логическими элементами "И" 30 и 31 и индикаторами 32 и 33 знака угла зажигания. Контакты 34 и 35 связаны с батареей 20 и соответственно со стартером 21 и системой зажигания, состоящей из резистора 36, катушки зажигания 37, контактов прерывателя 38. Осциллографическое устройство 43 через усилитель сигнала 44 подключено к диагностируемому генератору переменного тока 49, а через усилитель развертки 45 подключено к преобразователю напряжения 48, нагрузочный резистор 46, переменный резистор 47.
Анализатор работает в двух режимах: режиме полного торможения двигателя и режиме прокручивания коленчатого вала стартером.
б
На первом режиме работы двигатель при включении прямой передачи в коробке передач затормаживается стояночным и рабочим тормозом. И при подключении анализатора вольтметр 10 показывает ЭДС батареи 20 (Е).
пт
ст
элм
ст
кз
б
При замыкании контактов 34 и 35 включается стартер и системы зажигания. В этом случае через стартер 21 протекает ток полного торможения I, который регистрируется амперметром 11, вольтметр 10 в этом случае показывает напряжение на стартере 21 (U). По полученным результатам оцениваются максимальная электромагнитная мощность стартера Р, полное сопротивление цепи R и строится вольтамперная характеристика аккумуляторной батареи по двум точкам (фиг.2), которая позволяет определить ток короткого замыкания I батареи и ее внутреннее сопротивление R.
Расчеты проводятся по формулам:
При втором режиме двигатель растормаживается стартером при замкнутых контактах 34 и 35. Стартер 21 запитывается током батареи 20 через контакт 34. Напряжение на батарее изменяется в противофазе с током стартера, причем минимумы напряжения соответствуют нахождению поршней в верхних мертвых точках. Сигналы с батареи фильтруются, усиливаются операционным усилителем 22 и поступают одновременно на вход умножителя 4 и амплитудный детектор 23. В момент появления сигнала на амплитудном детекторе 23 на входе амплитудного компаратора 24 образуется П-образный импульс, фронт которого совпадает с амплитудой тока стартера. Этот импульс играет роль метки верхней мертвой точки и подается прямо и через инвертор 41 на входе компаратора 3. В дальнейшем этот импульс используется для измерения установочного угла зажигания.
Система зажигания запитывается через контакты 35. Ток проходит через резистор 36, катушку 37 зажигания, резисторы 39 и 40, транзистор 25, на вход которого во время проверки подается прямое смещение. При замыкании и размыкании контактов прерывателя 38 ток через катушку зажигания изменяется незначительно, так как контакты шунтируются резисторами 39, 40 и транзистором 25, поэтому напряжение вторичной цепи системы зажигания не вызывает пробоя искрового зазора в свечах зажигания и двигатель не запускается. Однако на резисторах 33 и 34 при этом возникает положительные импульсы, которые через усилитель 26 и инверторы 27 и 28 подаются на входы компаратора 3 и выполняют роль меток момента зажигания. Одновибратор 29 срабатывает при замыкании контактов прерывателя 38, поэтому показания индикатора 6 среднего значения тока пропорциональны углу замкнутого состояния контактов прерывателя 38, в значениях которого и градуируется шкала индикатора 6.
На входы компаратора 3 поступают сигналы, соответствующие моменту зажигания и нахождения поршней в верхних мертвых точках. На выходах элементов "И" 30 и 31 появляются импульсы с длительностью, пропорциональной временной разности сигналов зажигания и верхней мертвой точки. Причем элемент 30 вырабатывает сигнал, если импульсы зажигания опережают приход поршней в верхнюю мертвую точку, то есть при раннем зажигании, когда на оба входа элемента 30 поступают положительные сигналы. При позднем зажигании работает элемент 31. Индикаторы 32 и 33 знака угла опережения включаются при наличии напряжения на соответствующем элементе "И". Сигнал с элемента "И" (30 и 31) играет роль временных ворот для импульсов умножителя 4 частоты, поступающих на разные входы блока 5 совпадений. На выходе блока 5 совпадений образуется при этом количество импульсов, соответствующее углу опережения зажигания, которые поступают на цифровой регистратор утла опережения зажигания.
Сигнал с выхода операционного усилителя 22 поступает еще и на выходы пиковых детекторов 7 и 8 максимального и минимального значений. На выходе пиковых детекторов вырабатывается напряжение, соответственно пропорциональное максимальной и минимальной амплитуде тока стартера. Разность амплитуд тока стартера получается из-за различных величин компрессий в цилиндрах двигателя и определяет состояние цилиндропоршневой группы. Показания индикатора 9 разности напряжений будут пропорциональны разности напряжений пиковых детекторов и позволяют судить о техническом состоянии поршневой группы, если в одном из цилиндров компрессия будет меньше, соответственно уменьшается напряжение на выходе пикового детектора минимального значения. Показания индикатора разности напряжений отградуированы в процентной разности величины компрессий в цилиндрах.
2
Кроме того, на втором режиме работы анализатора, проверяется работоспособность системы зажигания по выработке вторичного напряжения. Исходным фактором проверки является то, что величина вторичного напряжения U пропорциональна току разрыва первичной цепи:
p
где I - ток разрыва первичной цепи,
к - величина, постоянная для любой системы зажигания.
На первом этапе прокручивания в нагрузку входного 25 транзистора генератора импульсов 2 момента зажигания включены оба резистора 39 и 40 нагрузки. Так как пара контактов 18, реле времени 16 разомкнуты, а пара контактов 17 соединяет выход датчика напряжения 14 с суммирующим входом интегратора 13, на выходе которого появится напряжение, пропорциональное току разрыва :
На втором этапе прокручивания обе пары контактов реле времени 16 переключаются и первая пара контактов 17 подключает выход датчика напряжения 14 к вычитающему входу интегратора 13, а вторая пара контактов 18 замыкает часть нагрузки входного транзистора 25 генератора импульсов 2 момента зажигания. При этом ток первичной обмотки катушки зажигания 37 уменьшается, так как возникает шунтирующее действие транзистора 25, и на вычитающий вход интегратора поступает напряжение
а на выходе интегратора 13 вольтметр 15 зарегистрирует разность .
Резисторы подобраны таким образом, что разность значений величин тока разрыва равняется 1 A.
Формула расчета разности величин вторичного напряжения в первом и втором случае при условии  примет вид:
Величина к постоянна для данной системы зажигания. По величине к определим работоспособность системы зажигания.
Конец прокручивания определяется по загоранию контрольной лампы 19, которая подает сигнал после переключения реле времени 16.
Кроме того, на втором режиме работы анализатора, определяется техническое состояние генератора переменного тока 49 системы электроснабжения автомобиля. Исходным фактором проверки является то, что на обмотку возбуждения генератора переменного тока 49 подается переменное напряжение незначительной амплитуды и контролируется сигнал на выходе генератора 49 с помощью осциллографического устройства 43. При этом амплитуда и частота контролируемого сигнала будут определяться техническим состоянием генератора 49 и при различных неисправностях будут иметь различный вид. При повороте ротора генератора 49 амплитуда и форма импульса контрольного сигнала будет несколько изменяться даже при исправном состоянии генератора 49. Полное изменение сигнала происходит при повороте ротора диагностируемого генератора переменного тока 49 на угол α, который можно определить по формуле:
где P - количество пар полюсов генератора.
Для определения неисправности необходимо иметь эталонный сигнал, который сравнивается с контролируемым сигналом. В качестве эталонного сигнала используется напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения диагностируемого генератора переменного тока 49, которое одновременно подается на усилитель развертки 45 осциллографического устройства 43, а на усилитель сигнала 44 осциллографического устройства 43 подается контролируемый сигнал с выхода диагностируемого генератора 49. При этом на экране осциллографического устройства 43 наблюдается фигура Лиссажу, по которой определяют техническое состояние генератора 49, а в случае неисправности причину ее возникновения. Фигуры Лиссажу, наблюдаемые на экране осциллографического устройства 43, представлены в таблице 1.
Обмотка возбуждения диагностируемого генератора переменного тока 49 своими клеммами "Ш" подключается к преобразователю напряжения 48, усилитель сигнала 44 осциллографического устройства 43 подключается к клеммам "+" и "-" диагностируемого генератора переменного тока 49, нагрузочный резистор 46 включается между "+" и "-" диагностируемого генератора переменного тока 49, при этом, напряжение аккумуляторной батареи 20 преобразованное в переменное напряжение необходимой величины преобразователем напряжения 48 будет подаваться на обмотку возбуждения диагностируемого генератора 49, которая будет возбуждать переменное магнитное поле. В результате чего на трехфазной обмотке статора диагностируемого генератора 49 будет наводиться переменное напряжение, которое через выпрямительный блок будет подаваться на выход генератора 49. С выхода генератора переменного тока 49 выпрямленное напряжение будет поступать на усилитель сигнала 44 осциллографического устройства 43. Одновременно с этим переменное напряжение от преобразователя напряжения 48 через переменный резистор 47 будет подаваться на усилитель развертки 45 осциллографического устройства 43. В результате взаимодействия сигнала с выходных клемм диагностируемого генератора 49 и эталонного сигнала на экране осциллографического устройства 43 будут фиксироваться фигуры Лиссажу.
Таблица 1 -
Фигуры Лиссажу, наблюдаемые на экране осциллографического устройства
<img file="00000011.tif" he="132" wi="163" img-content="undefined" img-format="tif" />
При прокручивании стартером коленчатого вала двигателя на определенный угол поворачивается на этот же угол и ротор диагностируемого генератора переменного тока 49, при этом на экране осциллографического устройства 43 будут фиксироваться фигуры, позволяющие определить техническое состояние диагностируемого генератора 49.
Таким образом, анализатор в режимах полного торможения двигателя и прокручивания двигателя стартером измеряет установочный угол зажигания, угол замкнутого состояния контактов прерывателя, процентную разность величин компрессий в цилиндрах двигателя, максимальную электромагнитную мощность стартера, полное сопротивление стартерной цепи, ЭДС, внутреннее сопротивление, ток короткого замыкания аккумуляторной батареи, проверяет работоспособность системы зажигания по выработке вторичного напряжения, определяет техническое состояние генератора. Число контролируемых параметров расширено и не требует пуска двигателя.