Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING TECHNICAL STATE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности, к определению неравномерности работы цилиндров 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, вызванное необходимостью многократных измерений, в том числе при нагрузке двигателя.
Известен способ оценки неравномерности работы ДВС [2], выбранный нами за прототип и заключающийся в том, что непрерывно измеряют при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки средние значения в цикле работы двигателя, а также на рабочем такте каждого цилиндра, угловые скорости и ускорения коленчатого вала, измеряют амплитуды заданных гармонических составляющих ускорения, непрерывно измеряют в режиме разгона от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной в цикле работы двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие и ускорение выбега, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня и по их соотношению судят о степени неравномерности работы цилиндров.
Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость определения технического состояния ДВС в эксплутационных условиях, вызванные необходимостью установки датчика угловых меток, причем двигатели зачастую не приспособлены к их установке, а также необходимостью многократных измерений на выбеге.
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 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, сложность установки датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя (угловых меток),
Известно 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, задатчик номеров гармоник и уровня неуравновешенности, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов, схему подготовки к работе, блок цифровых перестраиваемых фильтров, 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 низкая точность определения технического состояния ДВС, особенно при определении неравномерности работы цилиндров многоцилиндровых двигателей в условиях эксплуатации, имеющих повышенный коэффициент неравномерности или неработающие (отключенные) отдельные цилиндры, сложность установки датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя (угловых меток), необходимость многократных измерений на выбеге, сложность обработки информационных сигналов.
Задача заявляемого технического решения - снижение трудоемкости и упрощение процесса диагностирования при определении технического состояния двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях.
Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет в эксплуатационных условиях значительно снизить трудоемкость и упростить процесс определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, в частности, неравномерности работы двигателей за счет исключения необходимости сложной и трудоемкой установки датчика угловых меток, особенно у двигателей не приспособленных к их установке, а также за счет исключения необходимости многократных измерений в режиме выбега и упрощения обработки информационных сигналов.
Поставленная задача в способе решается тем, что при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы двигателя непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученную величину по множеству разгонов, сравнивают ее с аналогичной, характерной для двигателя в нормальном техническом состоянии, и по их отличию судят о техническом состоянии двигателя в целом, поочередно с привязкой по углу поворота коленчатого вала на участках работы цилиндров при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин на участках работы цилиндров двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству разгонов, по соотношению полученных величин судят о степени неравномерности работы цилиндров.
При многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки непрерывно измеряют в цикле работы двигателя мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученную величину по множеству разгонов, поочередно с привязкой по углу поворота коленчатого вала в цикле работы двигателя за исключением участка работы контролируемого цилиндра при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя за исключением участка работы контролируемого цилиндра двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству разгонов, по соотношению полученных величин в цикле работы двигателя и за исключением участков работы контролируемых цилиндров судят о степени неравномерности работы цилиндров.
При многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки поочередно отключают цилиндры, непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству разгонов, по соотношению полученных величин судят о степени неравномерности работы цилиндров.
В стационарном режиме полной нагрузки в цикле работы двигателя непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя, находят отношение этих средних значений, усредняют полученную величину по множеству циклов, сравнивают ее с аналогичной, характерной для двигателя в нормальном техническом состоянии, и по их отличию судят о техническом состоянии двигателя в целом, с привязкой по углу поворота коленчатого вала на участках работы цилиндров непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин на участках работы цилиндров двигателя, находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству циклов, по соотношению полученных величин судят о степени неравномерности работы цилиндров, аналогично измеряют указанные величины в цикле работы двигателя за исключением участка работы контролируемого цилиндра двигателя, а также в цикле работы двигателя, по соотношению полученных величин в цикле и за исключением участков работы контролируемых цилиндров двигателя судят о степени неравномерности работы цилиндров, поочередно отключают цилиндры, непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин, находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству циклов, по соотношению полученных величин в цикле и при поочередном отключении судят о степени неравномерности работы цилиндров.
Поставленная задача в устройстве решается тем, что известное устройство дополнительно снабжено первыми и вторыми датчиками концентрации кислорода, согласующими усилителями, аналоговыми ключами, аналого-цифровыми преобразователями, вторыми регистром временного хранения и блоком регистров сигнала, первым и вторым вычислителями среднего значения концентрации за цикл, вычислителем отношений, усредняющим устройством по множеству разгонов, вторым датчиком синхронизации, вторым блоком формирования начала отсчета, переключателем двухполюсным трехпозиционным, формирователем строба, источником напряжения «1», причем первый и второй датчики концентрации кислорода, установленные на двигателе внутреннего сгорания, через соответствующий каждому датчику согласующий усилитель и последовательно соединенные по сигнальным входам и выходам аналоговый ключ, аналого-цифровой преобразователь, регистр временного хранения, блок регистров сигнала и вычислитель среднего значения концентрации за цикл соединены с первым и вторым сигнальными входами вычислителя отношений соответственно, выход которого последовательно соединен по сигнальным входам и выходам с усредняющим устройством по множеству разгонов, блоком хранения и вычисления коэффициента неравномерности и индикатором, причем первый датчик синхронизации через последовательно соединенные по сигнальным входам и выходам блок формирования начала отсчета, преобразователь временного интервала в код и блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл связан с первым сигнальным входом селектора уровня, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения, а выход - с вторыми управляющими входами первого и второго блоков регистров сигнала, выход первого блока формирования начала отсчета соединен с первым входом блока синхронизации начала отсчета, выход которого связан с вторыми управляющими входами первого и второго регистров временного хранения, генератор тактовых импульсов соединен с вторыми управляющими входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, второй датчик синхронизации соединен с входом второго блока формирования начала отсчета, выход первого блока формирования начала отсчета соединен с переключателем двухполюсным трехпозиционным во второй позиции первого полюса и в третьей позиции второго полюса, а выход второго блока формирования начала отсчета соединен с переключателем двухполюсным трехпозиционным в третьей позиции первого полюса и в второй позиции второго полюса, переключатель двухполюсный трехпозиционный в первой позиции первого полюса соединен с источником напряжения «1», а выходы переключателя связаны с первым и вторым входами формирователя строба, выход которого соединен с вторыми управляющими входами первого и второго аналоговых ключей, третьи управляющие входы первых и вторых аналого-цифровых преобразователей, регистров временного хранения и блоков регистров сигнала, а также вторые управляющие входы первого и второго вычислителей среднего значения концентрации за цикл, третий управляющий вход вычислителя отношений, вторые управляющие входы усредняющего устройства по множеству разгонов, блока хранения и вычисления коэффициента неравномерности и индикатора соединены со схемой подготовки к работе.
2
наг.
2
На фиг. 1 приведена диаграмма зависимости объемной концентрации кислорода СO в отработавших газах ДВС (в процентах от объема) от частоты вращения коленчатого вала n и силы нагрузки РНа фиг. 2 приведены диаграммы зависимости концентрации кислорода СO в отработавших газах ДВС (сплошной линией - сухих, пунктиром - влажных) от коэффициента избытка воздуха α. На фиг. 3 приведена функциональная схема заявляемого устройства. На фиг. 4 приведена диаграмма зависимости выходного напряжения первичного измерительного преобразователя (датчика) КЕ-25 фирмы Figaro от концентрации кислорода: прямые 1…3 - при температуре 40, 20 и 0°С. На фиг. 5 приведены функциональные схемы преобразователя временного интервала в код (а) и усредняющего устройства (б).
2
2
2
Исследованиями установлено, что концентрация кислорода O в отработавших газах ДВС зависит от режимов работы и технического состояния двигателя (фиг. 1, 2). При свободном разгоне двигатель загружается собственными силами и концентрация кислорода O в отработавших газах ДВС также зависит от режимов работы и технического состояния двигателя, в том числе и от неравномерности работы цилиндров. В процессе эксплуатации происходит разрегулировка топливной системы, ухудшение уплотнения надпоршневого пространства, что приводит к снижению технико-экономических показателей цилиндров и ДВС в целом. Для повышения точности измерения, особенно при определении неравномерности работы цилиндров (распределения эффективной мощности по цилиндрам) целесообразно в каждом разгоне определять также концентрацию кислорода на входе впускного воздушного тракта. В переходном режиме разгона предварительно прогретого двигателя от минимальной устойчивой частоты вращения холостого хода, осуществляемого путем резкого перемещения органа управления топливоподачей в положение, соответствующее максимальной подаче топлива, измеряют концентрации кислорода O в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта.
2
При достижении двигателем в разгоне заданной частоты вращения (например, номинальной) определяют с учетом транспортного запаздывания отработавших газов до места установки датчика, полное в течение цикла двигателя значение усредненной по множеству разгонов относительной концентрации кислорода O:
2
где  - полное в течение цикла двигателя значение усредненной по множеству разгонов относительной концентрации кислорода O;
2
- полное в течение цикла двигателя значение концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС и на входе впускного воздушного тракта, усредненные по множеству разгонов.
Сравнивают полученное значение  (1) с аналогичным, характерным для двигателя в нормальном техническом состоянии, и по их отличию судят о техническом состоянии двигателя в целом,
2
При достижении двигателем в разгоне заданной частоты вращения (например, номинальной) с привязкой по углу поворота коленчатого вала на участках работы цилиндров с учетом транспортного запаздывания отработавших газов до места установки датчика, которое для всех цилиндров примерно одинаковое, измеряют концентрации кислорода O Неравномерность работы цилиндров определяется коэффициентом неравномерности эффективной мощности двигателя:
2
где  - максимальное и минимальное значения усредненной относительной концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС, определенных по множеству разгонов на участках работы цилиндров;
2
- концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС на i-х участках работы цилиндров и на входе впускного воздушного тракта.
При числе цилиндров больше 4-х значения  невелики. Для повышения точности измерений необходимо определять неравномерность работы цилиндров по формуле
2
2
2
где  - полное в течение цикла двигателя значение усредненной относительной концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС, максимальное и минимальное значения усредненной относительной концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС за исключением концентрации кислорода O на участке работы i-го контролируемого цилиндра, определенных по множеству разгонов.
При поочередном отключении цилиндров и достижении двигателем в разгоне заданной частоты вращения (например, номинальной) неравномерность работы цилиндров определяется коэффициентом неравномерности эффективной мощности двигателя:
2
где  - максимальное, минимальное значения усредненной относительной концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС, определенных по множеству разгонов в течение цикла двигателя при отключении одного i-го цилиндра, и полное (без отключения цилиндров);
2
- концентрации кислорода O в отработавших газах ДВС и на входе впускного воздушного тракта.
На испытательных стендах, на которых можно обеспечить и измерить полную нагрузку, определяют концентрации кислорода в стационарном режиме заданной частоты вращения (например, номинальной) аналогично (1), при значениях, усредненных по множеству циклов двигателя, сравнивают ее с аналогичной, характерной для двигателя в нормальном техническом состоянии, и по их отличию судят о техническом состоянии двигателя в целом. Неравномерность работы цилиндров определяется аналогично (2)…(4) при значениях, усредненных по множеству циклов двигателя.
Заявляемый способ осуществляется в эксплуатационных условиях в следующей последовательности.
При многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы двигателя непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта. Определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя. При достижении двигателем заданной частоты вращения (например, номинальной) находят отношение этих средних значений. Усредняют полученную величину по множеству разгонов, сравнивают ее с аналогичной, характерной для двигателя в нормальном техническом состоянии, и по их отличию судят о техническом состоянии двигателя в целом. Поочередно с привязкой по углу поворота коленчатого вала на участках работы цилиндров при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин на участках работы цилиндров двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству разгонов, по соотношению полученных величин судят о неравномерности работы цилиндров (распределении эффективной мощности по цилиндрам).
У многоцилиндровых двигателей (более четырех) значения измеренных концентраций невелики, поэтому целесообразно проводить измерения в следующей последовательности. При многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки непрерывно измеряют в цикле работы двигателя мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученную величину по множеству разгонов, поочередно с привязкой по углу поворота коленчатого вала в цикле работы двигателя за исключением участка работы контролируемого цилиндра при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя за исключением участка работы контролируемого цилиндра двигателя, при достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству разгонов, по соотношению полученных величин в цикле работы двигателя и за исключением участков работы контролируемых цилиндров судят о неравномерности работы цилиндров (распределении эффективной мощности по цилиндрам).
Для повышения точности определения неравномерности работы цилиндров дополнительно поочередно отключают цилиндры и при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы двигателя непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта. Определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя. При достижении двигателем заданной частоты вращения находят отношение этих средних значений. Усредняют полученные величины по множеству разгонов, по соотношению полученных величин без отключения цилиндров и при поочередном отключении судят о неравномерности работы цилиндров (распределении эффективной мощности по цилиндрам).
На испытательных стендах возможно определение технического состояния двигателя в целом и неравномерности работы цилиндров в следующей последовательности. В стационарном режиме полной нагрузки в цикле работы двигателя непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин в цикле работы двигателя, находят отношение этих средних значений, усредняют полученную величину по множеству циклов, сравнивают ее с аналогичной, характерной для двигателя в нормальном техническом состоянии, и по их отличию судят о техническом состоянии двигателя в целом, с привязкой по углу поворота коленчатого вала на участках работы цилиндров непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин на участках работы цилиндров двигателя, находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству циклов, по соотношению полученных величин судят о неравномерности работы цилиндров (распределении эффективной мощности по цилиндрам), аналогично измеряют указанные величины в цикле работы двигателя за исключением участка работы контролируемого цилиндра двигателя, а также в цикле работы двигателя, по соотношению полученных величин в цикле работы двигателя и за исключением участков работы контролируемых цилиндров судят о неравномерности работы цилиндров (распределении эффективной мощности по цилиндрам), поочередно отключают цилиндры, непрерывно измеряют мгновенные значения концентрации кислорода в отработавших газах и на входе впускного воздушного тракта, определяют средние значения измеренных величин, находят отношение этих средних значений, усредняют полученные величины по множеству циклов, по соотношению полученных величин без отключения цилиндров и при поочередном отключении судят о неравномерности работы цилиндров (распределении эффективной мощности по цилиндрам).
Устройство (фиг. 3) содержит первый и второй датчики концентрации кислорода 2 и 27, первый и второй согласующие усилители 3 и 28, первый и второй аналоговые ключи 4 и 29, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 5 и 30, первый и второй регистры временного хранения 6 и 31, первый и второй блоки регистров сигнала 7 и 32, первый и второй вычислители среднего значения концентрации за цикл 8 и 33, вычислитель отношений 9, усредняющее устройство по множеству разгонов 10, блок хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11, индикатор 12, первый датчик синхронизации 13, первый блок формирования начала отсчета 14, преобразователь временного интервала в код 15, блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16, селектор уровня 17, задатчик частоты измерения 18, блок синхронизации начала отсчета 19, генератор тактовых импульсов 20, второй датчик синхронизации 21, второй блок формирования начала отсчета 22, переключатель двухполюсный трехпозиционный 23, формирователь строба 24, источник напряжения «1» 25, схему подготовки к работе 26.
Датчики 2 и 27, установленные на двигателе внутреннего сгорания 1, через соответствующие согласующие усилители 3 и 28 и последовательно соединенные по сигнальным входам и выходам аналоговые ключи 4 и 29, аналого-цифровые преобразователи 5 и 30, регистры временного хранения 6 и 31, блоки регистров сигнала 7 и 32 и вычислители среднего значения концентрации за цикл 8 и 33 связаны соответственно с первым и вторым сигнальными входами вычислителя отношений 9, выход которого последовательно соединен по сигнальным входам и выходам с усредняющим устройством по множеству разгонов 10, блоком хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11, индикатором 12. Первый датчик синхронизации 13 через первый блок формирования начала отсчета 14 связан с преобразователем временного интервала в код 15, выход которого соединен с входом блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16, выход которого связан с первым сигнальным входом селектора уровня 17, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения 18, а выход - с вторыми (управляющими) входами первого и второго блоков регистров сигнала 7 и 32. Выход первого блока формирования начала отсчета 14 соединен с первым входом блока синхронизации начала отсчета 19, выход которого связан с вторыми (управляющими) входами первого и второго регистров временного хранения 6 и 31. Генератор тактовых импульсов 20 соединен с вторыми (управляющими) входами аналого-цифровых преобразователей 5 и 30.
Второй датчик синхронизации 21 соединен с входом второго блока формирования начала отсчета 22, выход первого блока формирования начала отсчета 14 соединен с переключателем двухполюсным трехпозиционным 23 во второй позиции первого полюса и в третьей позиции второго полюса, а выход второго блока формирования начала отсчета 22 соединен с переключателем двухполюсным трехпозиционным 23 в третьей позиции первого полюса и во второй позиции второго полюса. Переключатель двухполюсный трехпозиционный 23 в первой позиции первого полюса соединен с источником напряжения «1» 25, а выходы переключателя 23 связаны с первым и вторым входами формирователя строба 24, выход которого соединен с вторыми управляющими входами первого и второго аналоговых ключей 4 и 29. Третьи управляющие входы первых и вторых аналого-цифровых преобразователей 5 и 30, регистров временного хранения 6 и 31 и блоков регистров сигнала 7 и 32, а также вторые управляющие входы первого и второго вычислителей среднего значения концентрации за цикл 8 и 33, третий управляющий вход вычислителя отношений 9, вторые управляющие входы усредняющего устройства по множеству разгонов 10, блока хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11 и индикатора 12 соединены со схемой подготовки к работе 26.
Сигналы с первого и второго датчиков концентрации кислорода 2 и 27 проходят через первый и второй согласующие усилители 3 и 28 на сигнальные входы аналоговых ключей 4 и 29 при поступлении на их управляющие входы строба с формирователя 24, разрешающего прохождение через них сигналов, которые поступают на входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей 5 и 30 соответственно. Последовательность чисел (кодов) на выходах аналого-цифровых преобразователей 5 и 30 определяется частотой следования импульсов, которые подаются на вторые входы аналого-цифровых преобразователей 5 и 30 с выхода генератора тактовых импульсов 20, Первый датчик синхронизации 13 необходим для формирования одного импульса за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС - за 720°) при измерении концентраций за цикл, а также для синхронизации начала отсчета на рабочем участке контролируемого цилиндра (при его установке на трубопровод высокого давления этого цилиндра). Блок формирования начала отсчета 14 выделяет передний фронт импульса датчика синхронизации 13. Возможно также введение в этом блоке запаздывания импульса, которое определяется транспортным запаздыванием отработавших газов до датчика. Если на первом управляющем входе блока 19 синхронизации начала отсчета стоит сигнал "0", с его выхода на вторые (управляющие) входы первого и второго регистров временного хранения 5 и 30 поступает сигнал, запрещающий запись информации в эти регистры. Если на управляющий вход блока 19 поступил из схемы подготовки к работе 20 импульсный сигнал "1", то с приходом первого импульса с блока формирования начала отсчета 14 на выходе блока 19 появляется потенциал, разрешающий запись информации в первый и второй регистры временного хранения 6 и 31. После чего коды первых чисел, поступающие с выходов первого и второго аналого-цифровых преобразователей 5 и 30, записываются в первом и втором регистрах временного хранения 6 и 31 соответственно. Поступающие затем с первого и второго аналого-цифровых преобразователей 5 и 30 коды чисел через первый и второй регистры временного хранения 6 и 31 записываются поочередно в первом и втором блоках регистров сигнала 7 и 32 соответственно. Количество записанных кодов определяется погрешностью измерения в разгоне среднего значения концентрации за цикл работы двигателя (преимущественно при номинальной частоте вращения ДВС).
При поступлении импульса с блока формирования начала отсчета 14 осуществляется преобразователем временного интервала в код 15 измерение временного интервала до момента прихода следующего импульса с блока формирования начала отсчета 14 и преобразование этого интервала в последовательность чисел (кодов), которые следуют затем на блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16. Код числа, соответствующий среднему значению частоты вращения за цикл, поступает на первый вход селектора уровня 17, где сравнивается с кодом, поступающим на второй вход с задатчика частоты измерения концентрации 18. Селектор уровня 17 непрерывно следит за изменяющейся в разгоне частотой вращения и фиксирует момент достижения двигателем заданного значения частоты, при которой требуется определить концентрацию кислорода. Этому моменту соответствует сигнал на выходе селектора уровня 17, который подается на вторые (управляющие) входы первого и второго блоков регистров сигнала 7 и 32 и прекращает запись информации в эти блоки. В блоках регистров сигнала 7 и 32 хранятся числа, соответствующие мгновенным значениям концентрации кислорода при достижении двигателем заданной частоты вращения. Коды этих чисел подаются на сигнальные входы вычислителей среднего значения концентрации за цикл 8 и 33. Полученные коды средних значений концентрации за цикл поступают на первый и второй сигнальные входы вычислителя отношений 9. Результат вычисления в этом блоке в виде кодов последовательно проходит через усредняющее устройство по множеству разгонов 10, блок хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11 на индикатор 12. В блоке 11 рассчитывается коэффициент неравномерности последовательно по формулам (2)…(4). Результаты измерения коэффициентов неравномерности и измеренных концентраций выводятся также при необходимости по командам, поступающим со схемы 26 подготовки к работе последовательно на индикатор 12 (цифровое табло или терминал). При определении технического состояния двигателя в целом, по команде, поступающей со схемы 26 подготовки к работе полученный на выходе код сигнала (1) передается через блок хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11 на индикатор 12.
При определении неравномерности работы цилиндров без их отключения первый датчик синхронизации 13 устанавливается на трубопровод высокого давления контролируемого цилиндра, Второй датчик синхронизации 21 устанавливается на трубопровод высокого давления соседнего цилиндра по диаграмме работы цилиндров. При установке переключателя двухполюсного трехпозиционного 23 в первую позицию с источника напряжения «1» 25 через переключатель 23 на первый вход формирователя строба 24 поступает разрешающий сигнал, с выхода которого на вторые управляющие входы первого и второго аналоговых ключей 4 и 29 подается строб, открывающий прохождение сигналов через ключи. При этом измеряется концентрация за цикл двигателя. Это значение используется также при определении коэффициентов неравномерности (3), (4) характеризующих неравномерность работы цилиндров.
При установке переключателя двухполюсного трехпозиционного 23 во вторую позицию импульс с выхода первого блока формирования начала отсчета 14 через переключатель 23 подается на первый вход формирователя строба 24, запускающий формирование строба этим формирователем. При поступлении импульса с второго блока формирования начала отсчета 22 он проходит через переключатель 23 на второй вход формирователя строба 24, прекращающий формирование строба этим формирователем. Поочередно переставляя первый и второй датчики синхронизации 13 и 21 измеряют концентрацию на участках работы цилиндров и определяют коэффициент неравномерности (2), характеризующий неравномерность работы цилиндров.
При установке переключателя двухполюсного трехпозиционного 23 в третью позицию импульс с выхода второго блока формирования начала отсчета 22 через переключатель 23 подается на первый вход формирователя строба 24, запускающий формирование строба этим формирователем. При поступлении импульса с первого блока формирования начала отсчета 14 он проходит через переключатель 23 на второй вход формирователя строба 24, прекращающий формирование строба этим формирователем. Поочередно переставляя первый и второй датчики синхронизации 13 и 21 измеряют концентрации в цикле за исключением участка работы контролируемого цилиндра и определяют коэффициент неравномерности (3), характеризующий неравномерность работы цилиндров.
При подготовке устройства к работе с помощью схемы 26 подготовки к работе осуществляется сброс информации, хранящейся в первых и вторых аналого-цифровых преобразователях 5 и 30, регистрах временного хранения 6 и 31, блоках регистров сигнала 7 и 32 и вычислителях среднего значения концентрации за цикл 8 и 33, а также в вычислителе отношений 9, усредняющем устройстве по множеству разгонов 10, блоке хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11 и индикаторе 12.
2
2
В качестве датчиков 2 и 27 концентрации кислорода O могут быть применены электрохимические кондуктометрические первичные измерительные преобразователи (например типа КЕ-25 японской фирмы Figaro). При взаимодействии O с свинцом РЬ образуется оксид свинца 2РЬО, который хорошо растворяется в кислотной среде. Конструкция кислородного датчика КЕ-25 включает в себя гальваническую батарею с анодом из свинца, катодом и твердым кислотным электролитом. Молекулы кислорода на поверхности катода вступают в электрохимическую реакцию с электролитом. Между катодом и анодом включен терморезистор, служащий для температурной компенсации, и резистор, с которого снимается напряжение, характеризующее ток, протекающий через электролит в результате электрохимической реакции. Величина снимаемого напряжения пропорциональна концентрации кислорода (фиг. 4). Диапазон измеряемых объемных концентраций кислорода этим датчиком 0…100% при погрешности измерения 1% в температурном диапазоне 5…40°С и давлении воздуха 0,5…1,5 атм. В качестве согласующих усилителей 3 и 28 с этими датчиками используются операционные усилители с входным сопротивлением не менее 1 Мом. Для расширения рабочего температурного диапазона датчика параллельно его выходу может быть включена дополнительная схема температурной компенсации (последовательное соединение внешнего терморезистора и активного резистора). Аналоговые ключи 4 и 29, аналого-цифровые преобразователи 5 и 30, выполнены по одной из типовых схем.
В качестве датчиков синхронизации 13 и 21 могут быть использованы, например, первичные виброизмерительные преобразователи - акселерометры начала подачи или впрыска топлива, устанавливаемые на топливопроводы высокого давления в соседние по диаграмме срабатывания цилиндры в дизельных, датчики зажигания в карбюраторных двигателях. Блоки 14 и 22 формирования начала отсчета могут включать в себя последовательно соединенные пиковый детектор, аналоговый дифференциатор и формирователь импульсов (триггер Шмитта). Постоянная времени заряда пикового детектора выбирается из условия неискаженного выделения переднего фронта виброимпульса впрыска, а разряда - из условия разряда емкости на 80-90% к моменту прихода следующего виброимпульса от впрыска топлива в тот цилиндр, на котором установлен вибродатчик. Применение такой схемы блоков 14 и 22 позволяет устранить помехи от впрысков топлива в другие цилиндры и от соударения деталей.
Преобразователь временного интервала в код 15 выполнен по одной из типовых схем (фиг. 5, а) и состоит из триггера управления записью 34, двух схем совпадений И 35 и 36, двоичного счетчика тактовых импульсов 37, десятичного счетчика управления записью 38, генератора 39 тактовых импульсов. На динамический вход триггера управления записью 34 поступают импульсы с блока формирования начала отсчета 14. R-вход триггера управления записью 34 соединен с нулевым проводом («землей»), а на его S-вход поступает сигнал с выхода 3 счетчика управления записью 38. На счетный вход двоичного счетчика 37 поступают импульсы с генератора 39 тактовых импульсов, прошедшие схему И 35. На счетный вход десятичного счетчика управления записью 38 с емкостью, равной 4, поступают импульсы с генератора 39, прошедшие через схему И 36. Первый выход счетчика 38 является выходом "1", т.е. соответствует тому выходу дешифратора счетчика 38, на котором появляется импульс при подсчете счетчиком двух импульсов. Второй выход счетчика 38 является выходом "2", а третий выход - выходом "3" дешифратора счетчика 38. Преобразование временного интервала между импульсами, поступающими с блока формирования начала отсчета 14 в код осуществляется следующим образом.
Перед измерениями триггер управления записью 34 устанавливается в такое положение, что с приходом первого импульса с блока формирования начала отсчета 14 на динамический вход триггера 34 на его втором выходе появляется потенциал, разрешающий прохождение через схему совпадений 36 импульсов с генератора 39 тактовых импульсов. Эти импульсы поступают на счетный вход счетчика 38 управления записью. Сигнал с выхода "1" счетчика 38 подается на второй управляющий вход регистра ввода 40 блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16. При этом осуществляется перезапись информации с преобразователя временного интервала в код 15 в регистр ввода 40 блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16. Сигнал с выхода "2" устанавливает двоичный счетчик тактовых импульсов 37 в исходное состояние, а сигнал с выхода "3" опрокидывает триггер управления записью 34 в другое устойчивое состояние. В результате вход схемы И 36 блокируется, а на вход схемы И 35 подается с другого плеча триггера управления записью 34 потенциал, разрешающий прохождение через схему 35 тактовых импульсов с генератора 39, которые поступают на счетный вход двоичного счетчика тактовых импульсов 37. С приходом следующего импульса с блока формирования начала отсчета 14 триггер управления записью 34 опрокидывается в исходное состояние. Процесс повторяется.
Вычислители среднего значения концентрации за цикл 8 и 33, вычислитель отношений 9, усредняющее устройство по множеству разгонов 10, блок хранения и вычисления коэффициента неравномерности 11 и блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16 выполнены по типовой схеме (фиг. 5, б) и представляют собой арифметические устройства (микропроцессорные системы), осуществляющее операцию нахождения среднего арифметического чисел, поступающих на их входы. Блок вычисления среднего значения содержит регистр ввода 40, общую шину 41, центральный процессор 42, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 43, таймер 44, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 45, управляющее устройство (дешифратор адреса) 46. Входной сигнал проходит через регистр ввода 40 на общую шину 41, откуда может быть передан в ОЗУ 43 или непосредственно центральному процессору 42, который обменивается через общую шину 41 с другими блоками системы. ОЗУ 43 хранит (при необходимости) коды сигналов, поступающих с регистра ввода 40, а также промежуточные результаты вычисления процессора 42. Центральный процессор 42 осуществляет: суммирование чисел, поступающих на его вход. Таймер 44 задает ритм работы микропроцессорной системы. ПЗУ 45 хранит константы и программу, реализующую алгоритм вычисления среднего значения частоты вращения за цикл. Управляющее устройство 46 осуществляет взаимодействие блоков системы согласно заданному алгоритму: подключает регистр ввода 40, ОЗУ 43, ПЗУ 45 или процессор 42 к общей шине 41 на прием или передачу информации, а также передачу полученного числа на выход. Кроме того, в вычислителе среднего значения частоты вращения за цикл 16 дополнительно могут осуществляются операции перевода полученного числа, соответствующего циклу двигателя, в обороты/мин по известной формуле; нахождение среднего значения частоты вращения за два оборота.
Селектор уровня 17 представляет собой цифровую схему сравнения кодов, поступающих с блока 16 и задатчика 18 частоты измерения. Задатчик 18 состоит из набора декадных переключателей (четыре переключателя), с помощью которых выставляется требуемая частота вращения измерения концентрации, дешифратора и регистра, формирующего на выходе код, соответствующий этой частоте.
1
2
2
Блок синхронизации начала отсчета 19 представляет собой статический триггер, на один из входов которого подаются импульсы с блока формирования начала отсчета 14, а на второй - сигналы "0" или импульсный "1", которые подаются со схемы подготовки к работе 26 по команде или с помощью кнопки. Формирователь строба 24 также является статическим триггером, на входы которого подаются импульсы с выходов (первого и второго полюсов) переключателя двухполюсного трехпозиционного 23 и 23. В первой позиции этого переключателя на его первую позицию второго полюса 23 может подаваться сигнал импульсный "1", который подается со схемы подготовки к работе 26 по команде или с помощью кнопки (на фиг. 5, а не показано).
Разрядность блоков регистров сигнала 7 и 32, вычислителей среднего значения концентрации за цикл 8 и 33, усредняющего устройства по множеству разгонов 10, преобразователя временного интервала в код 15, блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл 16 определяется требуемой погрешностью измерения и преобразования. В качестве схемы 26 подготовки к работе может выступать кнопка, соединенная с формирователем импульсов. Служебные связи между блоками 5 и 30, 6 и 31, 7 и 32, 8 и 33, 9, 10, 11, 15, 16 и остальными ("запрос на прерывание", "готовность к обслуживанию внешних устройств" и др.) на фиг. 3 не показаны как несущественные.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1629777, кл. G01М 15/00, 1988.
2. Патент RU 2208771 кл. G01L 23/08, G01М 15/00, 2003.
3. Авторское свидетельство СССР №1789898, кл. G01L 23/08, 1993.