СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01M15/00 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, более узко к области диагностики двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и оптимизации их рабочих режимов.

Известны способ и устройство для регулирования ДВС в процессе испытаний по определению характеристик ДВС (см. напр. [1]) содержащие средства определения заданных исходных значений, средства выборки измеренных значений с заданной синхронизацией выборки и средства вычислений по данным измерений, а также средства вычислений рассогласования, в которых регулировка осуществляется на основании известных с некоторой погрешностью соотношений между отдельными параметрами ДВС и значениями параметров рабочего процесса ДВС, соответствующими некой идеализированной модели ДВС.

Как показывают результаты стендовых исследований (см. напр. [2]), взаимосвязь доступных измерению параметров ДВС неоднозначна, поэтому вывести ДВС на оптимальный режим возможно лишь методом последовательных приближений. С другой стороны, известно, что оптимизацией режима ДВС можно уменьшить потребление горючего на 10-20% а содержание дыма и окислов азота в отработанных газах в несколько раз (см. напр. [3] а также реферат в журнале "Автомобильная промышленность США", 1992, N 3. с.22 о работах фирмы Ricardo). Однако из-за неоднозначной связи параметров ДВС с параметрами рабочего процесса, и прежде всего процесса горения, достижимые при стендовых испытаниях результаты не могут быть получены в процессе эксплуатации.

Известно также устройство для диагностирования механизмов циклического действия [4] содержащее последовательно соединенные вибропреобразователь, усилитель, блок распознавания сигналов и синхрогенератор, а также регулируемый полосовой фильтр и блок формирования импульсов, причем в состав блока распознавания сигналов входят последовательно соединенные блок коммутации, блок полосовых фильтров, блок пороговых элементов и блок индикации. Это устройство выбрано нами в качестве прототипа. Недостатком этого устройства является невозможность использования его для регулирования ДВС и неоднозначность локализации неисправностей, связанная с малой информативностью исследуемого параметра (вибрация).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности диагностики ДВС, и в частности цилиндро-поршневой группы, а также обеспечение возможности оптимального регулирования режима ДВС в процессе эксплуатации.

Эта цель достигается тем, что полученную известным методом информацию о состоянии ДВС и степени оптимальности его режима дополняют результатами измерений параметров сигналов акустической эмиссии. Генерируемых в процессе работы ДВС акустическими объемами резонаторами переменного объема, образованными надпоршневыми пространствами цилиндров, а устройство, реализующее предлагаемый способ, выполняют с числом каналов, равным числу контролируемых цилиндров, причем каждый канал акустически связан с соответствующим цилиндром ДВС через преобразователь сигналов акустической эмиссии, и все сигналы обрабатываются на общей шкале времени, что позволяет свести к минимуму влияние одной из причин снижения экономичности и надежности ДВС несогласованную работу цилиндров.

Сущность предлагаемого способа диагностики и регулирования ДВС заключается в том, что в качестве источника измерительной информации используют акустические колебания, возбуждаемые в надпоршневом пространстве цилиндра. Предложение основано на том, что в процессе работы объем, ограниченный стенками цилиндра и поршнем, представляет собой акустический объемный резонатор переменного объема, собственные частоты которого зависят от скорости распространения звука (которая в свою очередь прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газа), а параметры от состава и моментов впрыскивания и воспламенения рабочей смеси, а также от состояния пары "поршень-стенки цилиндра".

На основании измерения параметров сигналов акустической эмиссии, генерируемых акустическими объемными резонаторами, образованными надпоршневыми пространствами цилиндров, можно определить в реальном времени:
мгновенное значения температур газов в цилиндрах и законы их изменения;
распределение моментов воспламенения горючей смеси в цилиндрах;
изменение интенсивности процессов горения во времени;
состояние пар "цилинд-поршень".

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, регулируемый полосовой фильтр и блок распознавания сигналов, образующие канал выделения измерительной информации, а также блок формирования импульса, коммутатор, синхрогенератор и индикатор, и отличается от прототипа тем, что с целью повышения достоверности диагностики ДВС и обеспечения возможности его регулирования раздельно по цилиндрам в него дополнительно включены программируемый вычислитель, регистрирующее устройство и блок команд, число каналов выделения измерительной информации соответствует числу одновременно контролируемых цилиндров, в каждый канал выделения измерительной информации между регулируемым полосовым фильтром и блоком распознавания сигналов введен дополнительно усилитель с автоматической регулировкой усиления и каждый канал выделения измерительной информации акустически связан с надпоршневым пространством контролируемого цилиндра через преобразователь сигналов акустической эмиссии; каждый блок распознавания сигналов содержит усилитель-ограничитель, преобразователь "частота-код", амплитудный детектор и аналого-цифровой преобразователь, причем вход усилителя-ограничителя объединен с входом амплитудного детектора и с входом блока распознавания сигналов, выход амплитудного детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым выходом канала выделения измерительной информации, выход усилителя-ограничителя через преобразователь "частота-код" соединен со вторым выходом канала выделения измерительной информации, а выход узла автоматической регулировки усиления усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с третьим выходом канала выделения измерительной информации, причем управляющие входы аналого-цифрового преобразователя и преобразователя "частота-код" соединены с соответствующими тактовыми выходами программируемого вычислителя, информационные входы которого соединены с выходами всех каналов выделения измерительной информации, вход синхросигнала программируемого вычислителя подключен к выходу синхрогенератора; выход синхрогенератора соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен с выходом усилителя с автоматической регулировкой усиления одного из каналов выделения измерительной информации, а второй через датчик синхронизации с источником синхросигнала ДВС; выходы программируемого вычислителя соединены с индикатором, регистором и управляющими входами блока команд, выходы которого нагружены на исполнительные механизмы ДВС.

Сущность предлагаемого устройства видна также из примера конкретного его выполнения, представленного на фиг. 1. Как видно из фиг. 1, предлагаемое устройство содержит некоторое число каналов выделения измерительной информации 1,2, на входе которых включены преобразователи сигналов акустической эмиссии 3,4 и каждый из которых состоит из последовательно соединенных предварительного усилителя 5, регулируемого полосового фильтра 6, усилителя с автоматической регулировкой усиления 7 с узлом автоматической регулировки усиления 8, а также блока распознавания сигналов 9, причем блок распознавания сигналов содержит параллельно включенные усилитель-ограничитель 10 и амплитудный детектор 11, нагруженные соответственно на преобразователь "частота-код" 12 и аналого-цифровой преобразователь 13, управляемые от программируемого вычислителя 14. Временная связь программируемого вычислителя с работой ДВС осуществляется с помощью синхрогенератора 15, который может быть синхронизирован с работой ДВС либо через датчик синхронизации 16, либо от одного из каналов выделения измерительной информации с помощью блока формирования импульса 17, подключенного к синхрогенератору через коммутатор 18. Программируемый вычислитель считывает информацию с выходов преобразователей "частота-код" и аналого-цифровых преобразователей всех каналов выделения измерительной информации, обрабатывает ее по заданной программе с учетом установленного узлом 8 коэффициента усиления усилителя с автоматической регулировкой усиления 7 и выдает результаты обработки на блок команд 19, нагруженный на исполнительные механизмы ДВС. Необходимая оператору информация выводится на индикатор 20, а также в зависимости от заданной программы автоматически регистрируется регистрирующим устройством 21.

К материалам заявки приложены:
1. Возможная функциональная схема предлагаемого устройства для диагностики ДВС и их регулирования фиг. 1.

2. Вариант выполнения преобразователя "частота-код" фиг. 2.

Практически все узлы, входящие в состав предлагаемого устройства, включая программируемый вычислитель, индикатор и блок команд, являются типовыми, выполняемыми на соответствующих стандартных элементах электронной и релейной техники (операционные усилители, специализированные ЭВМ на микропроцессорах, системы электронного зажигания и т.п.). Преобразователь сигналов акустической эмиссии может быть взят серийный (например, от прибора АВН-3) или изготовлен специально, например, на основе титаната бария. Конкретная реализация блока команд зависит от условий применения устройства. В частности, при наличии бортового компьютера (которым ныне оснащаются даже некоторые легковые автомобили) возможно введением дополнительной программы в бортовой компьютер (или перепрагроммирование его) поручить ему управление предложенным устройством с последующим учетом дополнительной информации.

Конкретное исполнение преобразователя "частота-код" 12 может быть различным, и один из возможных вариантов его исполнения приведен на фиг. 2. Преобразователь собран на четырех схемах "И-НЕ". (22, 23, 24, 25), двух счетчиках (26, 27) и двух дешифраторах (28, 29), которые, в частности, могут быть выполнены в одном корпусе со счетчиками. Команды, поступающие с программируемого вычислителя, обеспечивают попеременное включения счетчиков то в режим записи количества импульсов, поступающих с усилителя-ограничителя за заданный интервал времени через открытую схему "И-НЕ", то в режиме хранения, в течение которого информация считывается с соответствующего дешифратора с последующим сбросом.

Сущность изобретения: с целью повышения достоверности диагностики ДВС, и, в частности цилиндро-поршневой группы, а также обеспечения возможности оптимального регулирования режима работы ДВС в процессе эксплуатации, полученную известными методами информацию о состоянии ДВС и степени оптимальности режима его работы дополняют результатами измерений параметров сигналов акустической эмиссии, генерируемых в процессе работы ДВС акустическими объемными резонаторами переменного объема, образованными надпоршневыми пространствами цилиндров. Устройство, реализующее предлагаемый способ, выполняют числом каналов, равным числу контактирующих цилиндров, причем каждый канал акустически связан с соответствующим цилиндром ДВС через преобразователь сигналов акустической эмиссии. Все сигналы обрабатывают на общей шкале времени, что позволяет свести к минимуму влияние одной из причин снижения экономичности и надежности ДВС - несогласованную работу цилиндров. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ для диагностики и регулирования двигателей внутреннего сгорания по результатам измерения параметров физических процессов, сопутствующих работе двигателей внутреннего сгорания, отличающийся тем, что дополнительную информацию о состоянии двигателей внутреннего сгорания и их режимах получают путем измерения параметров сигналов акустической эмиссии, генерируемых акустическими объемными резонаторами переменного объема, образованными надпоршневыми пространствами цилиндров, в диапазоне частот мод собственных акустических колебаний этих объемных резонаторов. 2. Устройство для диагностики и регулирования двигателей внутреннего сгорания, содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель, регулируемый полосовой фильтр и блок распознавания сигналов, образующие канал выделения измерительной информации, а также блок формирования импульса, коммутатор, синхрогенератор и индикатор, отличающееся тем, что в него дополнительно включены программируемый вычислитель, регистрирующее устройство и блок команд, число каналов выделения измерительной информации соответствует числу одновременно контролируемых цилиндров, в каждый канал выделения измерительной информации между регулируемым полосовым фильтром и блоком распознавания сигналов введен дополнительно усилитель с автоматической регулировкой усиления и каждый канал выделения измерительной информации акустически связан с надпоршневым пространством контролируемого цилиндра через преобразователь сигналов акустической эмиссии, каждый блок распознавания сигналов содержит усилитель-ограничитель, преобразователь частота код, амплитудный детектор и аналого-цифровой преобразователь, причем вход усилителя-ограничителя объединен с входом амплитудного детектора и входом блока распознавания сигналов, выход амплитудного детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым выходом канала выделения измерительной информации, выход усилителя-ограничителя через преобразователь частота код соединен с вторым выходом канала выделения измерительной информации, а выход узла автоматической регулировки усиления усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с третьим выходом канала выделения измерительной информации, причем управляющие входы аналого-цифрового преобразователя и преобразователя частота код соединены с соответствующими тактовыми выходами программируемого вычислителя, информационные входы которого соединены с выходами всех каналов выделения измерительной информации, вход синхросигнала программируемого вычислителя подключен к выходу синхрогенератора, вход синхрогенератора соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен с выходом усилителя с автоматической регулировкой усиления одного из каналов выделения измерительной информации, а второй через датчик синхронизации с источником синхросигнала двигателя внутреннего сгорания, выходы программируемого вычислителя соединены с индикатором, регистратором и управляющими входами блока команд, выходы которого нагружены на исполнительные механизмы двигателей внутреннего сгорания.