СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF DIAGNOSING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к испытаниям и диагностике двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Оно основано на контроле процессов в камере сгорания ДВС и позволяет регулировать параметры ДВС.
Известны способы диагностирования ДВС, при реализации которых камера сгорания рассматривается как объемный резонатор переменного объема (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат. 1989. С.189-192). Недостатками этих способов является одновременное возбуждение в камере сгорания переменного объема при движении поршня одновременно нескольких типов электромагнитных колебаний, что затрудняет получение полезной информации.
Известно также техническое решение (SU 1281956, 07.01.1987), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных волн заданной фиксированной длины волны с помощью СВЧ-генератора в волноводе, размещенном в области камеры сгорания, и регистрации характеритстик поля стоячей электромагнитной волны в данном волноводе при перемещении поршня. При этом длину волны (выбирают из условия ,
где D - внутренний диаметр цилиндра, Н - величина перемещения поршня от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ); h - зазор между днищем поршня и головкой цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке.
Такой выбор длины волны Л обеспечивает работу реализующих данный способ устройств на левом склоне резонансной кривой - зависимости амплитуды продетектированного сигнала от положения поршня в цилиндре, то есть на участке, в пределах которого амплитуда еще не достигает максимального значения, соответствующего резонансу. При этом возможно однозначное непрерывное определение рабочих параметров ДВС.
Однако этот способ обладает существенным недостатком, заключающемся в невысокой точности диагностирования. Связано это с тем, что для реализации способа необходимо с высокой точностью обеспечивать заданную длину электромагнитной волны. Только в этом случае регистрируемая амплитуда, соответствующая рабочей точке на склоне резонансной кривой, соответствует истинному положению поршня в цилиндре. Это, в свою очередь, требует весьма высокой степени стабильности частоты СВЧ-генератора, что трудно достичь на практике.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности диагностирования.
Технический результат в предлагаемом способе диагностирования двигателя внутреннего сгорания достигается тем, что в камере сгорания возбуждают электромагнитные колебания фиксированной длины волны и определяют амплитуду принимаемого сигнала, при этом длину электромагнитной волны выбирают значительно меньшей минимального размера камеры сгорания, имеющего место при положении поршня в верхней мертвой точке.
Предлагаемый способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа. На фиг.2 изображен график зависимости амплитуды принимаемого сигнала, а на фиг.3 - временной график зависимости амплитуды принимаемого сигнала в окрестностях ВМТ при движении поршня в цилиндре камеры сгорания.
Устройство на фиг.1 содержит СВЧ-генератор 1, циркулятор 2, волновод 3, свечу зажигания 4, камеру сгорания 5, поршень 6, детектор 7, регистратор 8.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
3
0
0
При выборе длины электромагнитной волны λ значительно меньшей характерного размера D полости (камеры сгорания): λ<<D (или λ<<V, где V - объем полости). При этом резонансные явления на отдельных типах колебаний проявляются слабо, так как расстояние между соседними резонансными частотами меньше ширины резонансных кривых на частотной оси, определяемой диэлектрическими потерями, в то время как интегральная добротность полости является высокой. В данном случае полость - камеру сгорания - можно рассматривать как нерезонансную полость. При этом перемешивание возбуждаемых электромагнитных колебаний происходит как за счет выбора малой длины волны по сравнению с характерным размером полости, так и движения поршня в камере сгорания.
Прием мощности после многократного рассеяния и переотражений электромагнитных волн в полости можно осуществить с помощью антенны, в частности открытого конца волновода или рупорной антенны, подсоединенной к полости через отверстие в ее стенке. В данном случае функции такой приемо-передающей антенны выполняет свеча зажигания, существующей или модифицированной для обеспечения прохождения электромагнитных волн в камеру сгорания. При этом не нарушаются процессы, связанные непосредственно с работой ДВС.
изл
0
Принимаемая при этом мощность P зависит от плотности ρ=W/V электромагнитной энергии, запасаемой в полости при возбуждении в ней колебаний от источника электромагнитной энергии с помощью антенны. Величину этой плотности энергии можно выразить соотношением
ист
где Q - добротность полости-резонатора; P - мощность сигнала, возбуждающего электромагнитные колебания в полости; ω=2πс/λ - круговая частота возбуждаемых колебаний; с - скорость света.
Здесь добротность Q - интегральная добротность, усредненная по всем типам возбуждаемых колебаний, может быть охарактеризована как отношение запасенной в полости электромагнитной энергии W к энергии, рассеиваемой за период колебаний.
изл
0
изл
Получим соотношение, связывающее принимаемую мощность P с величиной объема V полости. Величина P характеризуется энергией, выводимой из полости в единицу времени через апертуру с эффективной поверхностью S в телесном угле Ω диаграммы направленности приемной антенны
Здесь учтено, что величина ΔW проходящей за время Δt через указанную апертуру электромагнитной энергии есть
В данной формуле коэффициент 4(в знаменателе правой части соответствует полному телесному углу (в радианах).
В данном случае
2
что вытекает из равномерности распределения энергии электромагнитного поля внутри полости, равенства единице усредненной величины коэффициента направленного действия D=4πS/λ приемной антенны и приема части Ω/4π рассеиваемой в полости электромагнитной энергии.
Следовательно
В соответствии с определением добротности Q, принимая во внимание (5), можно записать следующее выражение для рассматриваемой полости-резонатора:
ист
Здесь в правой части в знаменателе записана мощность источника электромагнитной энергии, что правомерно, так как вся эта мощность расходуется на компенсацию потерь в резонаторе и на поддержание незатухающих колебаний в нем. Такая же запись P корректна и в правой части формулы (1).
изл
изл
ист
0
0
Таким образом, измеряя принимаемую мощность P или отношение P/P, можно определить переменный объем V полости (камеры сгорания) и, следовательно, положение ВМТ и НМТ поршня в камере сгорания: V=sl, где s - площадь поперечного сечения камеры сгорания, l - ее длина, определяемая положением поршня, а также добротность Q и связанное с ней функционально затухание электромагнитных колебаний в зависимости от физических свойств вещества (плазмы) при процессе горения, осуществлять контроль работы ДВС в целом на различных тактах его работы.
3
0
Электромагнитные колебания от СВЧ-генератора 1 фиксированной длины волны, при которой выполняется условие λ<<D (или λ<<V), поступают через циркулятор 2 и волновод 3 на антенну, функции которой выполняет свеча зажигания 4, в полость камеры сгорания 5, являющей полостью переменного объема вследствие перемещения в ней поршня 6 (фиг.1). Прием полезного сигнала, несущего информацию о положении поршня 6, осуществляют с помощью свеча зажигания 4. Принятые колебания поступают через волновод 3 и циркулятор 2 на детектор 7, к выходу которого подсоединен регистратор 8. Его выходной сигнал является однозначной функцией положения поршня в камере сгорания, в частности верхней мертвой точки и нижней мертвой точки.
С учетом реальных габаритов камер сгорания длину волны возбуждаемых в камере сгорания электромагнитных колебаний целесообразно выбирать в миллиметровом диапазоне длин волн, например, λ=1 мм, 2 мм, 4 мм или 8 мм.
0
изл
0
Как следует из (5), при измерении объема V емкости переменной конфигурации - камеры сгорания с перемещаемым в ней поршнем - принимаемая мощность P и, следовательно, амплитуда А принимаемого продетектированного сигнала, обратно пропорциональны величине измеряемого объема V и, следовательно, переменной длине l камеры сгорания, определяемой положением поршня. На фиг.2 изображен (качественно) график зависимости A(l), а на фиг.3 - график зависимости амплитуды А от времени t в окрестностях ВМТ при прямом, по направлению к ВМТ, (левый склон кривой) и обратном, от ВМТ, (правый склон кривой) движении поршня в цилиндре камеры сгорания. Здесь вершина кривой соответствует положению поршня в ВМТ и имеет данный вид вследствие изменения направления поршня в ВМТ.
В схеме устройства на фиг.1 отсутствует движущийся элемент для перемешивания типов колебаний. В нем в данном случае нет необходимости, так как, во-первых, положение подвижной стенки (поршня) полости строго задано, во-вторых, перемешивание типов колебаний имеет место при перемещении поршня.
3
3
3
3
3
3
3
min
min
min
min
min
Такая схема может быть, в частности, применена для ДВС с форкамерно-факельным зажиганием, где имеется узкий канал связи камеры сгорания с форкамерой. Здесь принципиально невозможно ввести электромагнитную энергию от генератора на частоте, ниже критической частоты возбуждения в камере сгорания распространяющихся электромагнитных волн; этому соответствует известное техническое решение (SU 1666935, 30.07.1991). Такие ДВС установлены, например, на автомобиле ГА3-3102, во многих типах зарубежных автомобилей. Согласно предлагаемому способу рабочую длину волны 2 возможно выбирать здесь в миллиметровом диапазоне, в котором обеспечивается выполнение условия λ<<V, где V - объем камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. Например, для автомобиля ВА3-2101 камера сгорания ДВС имеет следующие параметры: объем камеры сгорания V=1197 см; диаметр D=76 мм; положение днища поршня в ВМТ h=8,2 мм; ход поршня 66 мм. Отсюда следует, что V=148,7 см. Следовательно, выбирая длину волны 2=1 мм, 2 мм, 4 мм или 8 мм, можно обеспечить выполнение требуемого условия λ<<V. Так, при λ=8 мм будем иметь: λ=0,512 см, что значительно меньше значения V=148,7 см.
По амплитуде регистрируемого сигнала можно судить о положении поршня в камере сгорания, в том числе о координатах верхней и нижней мертвых точек, о физических свойствах вещества в камере сгорания на различных тактах работы ДВС.
Таким образом, данный способ позволяет с высокой точностью диагностировать двигатели внутреннего сгорания по результатам измерений амплитуды регистрируемого сигнала при выборе длины электромагнитной волны, значительно меньшей минимального размера камеры сгорания, имеющего место при положении поршня в верхней мертвой точке.