СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК G01M15/00 G01L23/22 

Изобретение относится к испытаниям машин и двигателей и касается обнаружения детонации в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Известен способ выявления детонации в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием, заключающийся в том, что при работе двигателя с заданной частотой вращения с помощью датчика регистрируют в заданном интервале времени для каждого из циклов обусловленные процессом сгорания топливовоздущной смеси вибросигналы, например колебания стенок блока цилиндров, осуществляют фильтрацию этих сигналов, по меньшей мере, в одном частотном диапазоне, соответствующем частоте колебаний при детонации, определяют фактическое значение параметра вибросигнала, а затем сравнивают фактическое значение с эталонным и на основе сравнения делают вывод о наличии или отсутствии детонации в двигателе. В качестве параметра вибросигнала используют текущее значение уровня вибрации, а в качестве эталонного используют фоновый сигнал, характеризующий уровень колебаний при бездетонатном сгорании, а сравнение текущего значения уровня вибрации с уровнем фона осуществляют по амплитудам упомянутых сигналов (патент США N 4385607, НКИ 123-425, опубл. 1983).

Основные трудности, возникающие при реализации известного способа, связаны со следующими факторами:
существенной нестабильностью процесса детонационного сгорания, которая проявляется даже в последовательных рабочих циклах, что связано с самой природой детонационного сгорания;
высокий маскирующий уровень шума двигателя, величина которого сильно зависит от конкретного экземпляра двигателя, режимной точки, различна для разных цилиндров двигателя и заметно флуктуирует во времени;
уровень шума имеет значительные по величине составляющие, носящие случайный характер и имеющие в своем спектре частоты, характерные для детонации;
разрыв во времени между замерами сигнала, используемого для формирования уровня фона, и сигнала детонации.

Следствием упомянутых трудностей является недостаточно высокая достоверность идентификации детонации в двигателе внутреннего сгорания.

Следует отметить, что текущее значение уровня вибросигнала при детонации не является его исчерпывающей характеристикой. В связи с этим предлагались способы распознавания детонации, в которых анализируется характер протекания (форма) вибросигнала.

Известен способ выявления детонации в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, заключающийся в том, что при работе двигателя с заданной частотой вращения с помощью датчика регистрируют в заданном интервале времени для каждого из циклов обусловленные процессом сгорания топливовоздушной смеси вибросигналы, например колебания стенок блока цилиндров, осуществляют фильтрацию этих колебаний, по меньшей мере, в одном частотном диапазоне, соответствующем частоте колебаний при детонации, определяют фактическое значение параметра вибросигнала, а затем сравнивают фактическое значение с эталонным и на основе сравнения делают вывод о наличии или отсутствии детонации в двигателе. В качестве параметра вибросигнала формируют осредненную огибающую колебаний за ряд последовательных рабочих циклов, а в качестве эталонного сигнала используют сигнал в виде огибающей отфильтрованного сигнала датчика, обработанного специальными преобразующими устройствами, например интегратором. Сигналы в известном способе сравнивают по крутизне их фронтов, и наличие детонации идентифицируется при превышении скоростью нарастания преобразованного осредненного сигнала огибающей с датчика скорости нарастания проинтегрированной огибающей сигнала (патент США N 4346586, НКИ 73-75, опубл. 1982).

Недостатком известного способа является его недостаточная помехозащищенность, так как случай превышения скоростью нарастания осредненнего за ряд рабочих циклов сигнала скорости нарастания проинтегрированной огибающей сигнала может наблюдаться и при недетонационных режимах работы двигателя, например при регистрации механических вибраций деталей газораспределительного механизма. Следствием этого является недостаточная достоверность получаемых результатов.

Известен способ выявления детонации в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при работе двигателя с заданной частотой вращения с помощью датчика регистрируют в заданном интервале времени рабочего цикла обусловленные процессом сгорания топливовоздушной смеси вибросигналы, например колебания стенок блока цилиндров, осуществляют фильтрацию этих колебаний, по меньшей мере, в одном частотном диапазоне, соответствующем частоте колебаний при детонации, определяют фактическое значение параметра вибросигнала, а затем сравнивают фактическое значение с эталонным и на основе сравнения делают вывод о наличии или отсутствии детонации в двигателе. В качестве параметра вибросигнала используют огибающую упомянутых колебаний, в качестве эталонного используют сигнал в виде огибающей, полученной путем осреднения серии огибающих сигналов датчика, предварительно определенных при работе двигателя на детонационном режиме, а сравнение сигналов осуществляется по подобию форм упомянутых огибающих (патент СССР N 1665252, кл. G 01 M 15/00, опубл. 1991 ).

Являясь более перспективным по сравнению с вышеприведенными аналогами, данный способ требует больших вычислительных ресурсов, что значительно затрудняет его реализацию в серийных системах управления двигателями. Кроме того, при реализации известного способа имеет место разрыв во времени между замерами сигнала, используемого для формирования его эталонного уровня, и фактического сигнала от датчика в процессе идентификации детонации.

Следствием этого является сложность реализации известного способа и недостаточная при этом достоверность идентификации детонации.

Задачей заявленного изобретения является упрощение реализации способа выявления детонации в ДВС при одновременном повышении достоверности ее идентификации.

Достигается это тем, что в соответствии с заявляемым способом выявления детонации в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, заключающимся в том, что при работе двигателя на заданной частоте вращения с помощью датчика регистрируют в заданном интервале времени цикла обусловленные процессом сгорания топливовоздушной смеси вибросигналы, например колебания стенок блока цилиндров, осуществляют фильтрацию этих колебаний, по меньшей мере, в одном частотном диапазоне, соответствующем частоте колебаний при детонации, определяют фактическое значение параметра вибросигнала, а затем сравнивают фактическое значение с эталонным и на основе сравнения делают вывод о наличии или отсутствии детонации в двигателе, в качестве параметра вибросигнала используют среднюю его мощность для заданного интервала времени в рабочем цикле, эталонное значение формируют как сумму величин, составляющими которых, по меньшей мере, являются величина, характеризующая текущее минимальное значение средней мощности вибросигнала, и величина дисперсии средней мощности вибросигнала, предварительно определенная при работе двигателя на упомянутой частоте вращения при отсутствии детонации, а сравнивают эталонное значение с фактическим значением средней мощности вибросигнала в рабочем цикле.

Использование в качестве одной из составляющих эталонного сигнала величины, получаемой при обработке вибросигнала, измеряемого именно в самом процессе идентификации детонации, повышает достоверность этой идентификации, а использование в качестве параметра вибросигнала средней его мощности для заданного интервала времени в рабочем цикле упрощает реализацию заявляемого способа.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, позволяющего реализовать предложенный способ;
на фиг. 2 (А, Б, В, Г) показаны последовательные этапы преобразования вибросигнала датчика (фиг. 2,А) посредством полосового фильтра (Фиг. 2,Б), выпрямителя (фиг. 2,В) и пикового детектора (Фиг. 2,Г);
на фиг. 3 представлен алгоритм определения с помощью этого устройства средней мощности вибросигнала за цикл работы двигателя;
на фиг. 4 алгоритм определения с помощью устройства дисперсии средней мощности вибросигнала; на фиг. 5 (А, Б) методика получения значений упомянутой дисперсии;
на фиг. 6 алгоритм идентификации детонационных циклов сгорания ДВС;
на фиг. 7 показаны характерные формы сигналов, используемых при упомянутой идентификации.

Устройство для реализации заявляемого способа содержит датчик детонации 1, например пьезоэлектрический акселерометр для регистрации колебаний деталей двигателя, например стенок блока цилиндров, подключенный через усилитель 2, полосовой фильтр 3 и выпрямитель 4 к пиковому детектору 5, датчик 6 положения коленчатого вала и микропроцессорный счетно-аналитический блок, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, арифметическо-логического устройства (АЛУ) 8, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 9, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 10, таймера 11 и входного 12 и выходного 13 интерфейсов. Пиковый детектор 5 подключен к аналого-цифровому преобразователю 7, а датчик 6 положения коленчатого вала к входному интерфейсу 12. Датчик 6 таймера и блоки 12 и 13 обеспечивают сихронизацию работы блоков 7 10.

Способ реализуется следующим образом. Возникающие при работе двигателя на заданной частоте вращения колебания стенок блока цилиндров регистрируют по времени t за ряд последовательных рабочих циклов датчиком 1 (кривая 14 на фиг. 2, А). После усилителя 2 посредством полосового фильтра 3 осуществляют фильтрацию этого сигнала в одном из частотных диапазонов, наиболее характерных для детонационного сгорания (порядка 5 6 кГц, кривая 15 на фиг. 2,Б). Отфильтрованный сигнал далее поступает на выпрямитель 4 и в виде сигнала, показанного кривой 16 фиг. 2,В, на пиковый детектор 5, фиксирующий максимальную амплитуду А сигнала на временной базе замера t₀ (кривая 17 фиг. 2,Г). Период опроса пикового детектора принят равным t₀.

Для повышения чувствительности измерительного канала сигнал датчика 1 анализируется в каждом выбранном рабочем цикле в узком временном интервале, привязанном к моменту возможного появления детонации. В блоке обработки сигнала используется окно фазовой селекции, открывающее и закрывающее канал измерения сигнала. Положение окна селекции должно обеспечивать гарантированное перекрытие области возможного появления сигнала детонации. При этом длительность или длина окна должна быть минимально возможной, что повышает помехоустойчивость канала измерения. На основе выполненных экспериментов приняты следующие параметры окна селекции вибросигнала: момент открытия 0 10 град поворота коленчатого вала (п.к.в.) после верхней мертвой точки (ВМТ) рабочего хода, длительность окна селекции LD 4 5 мс. Временная база замера максимальной амплитуды вибросигнала пиковым детектором была принята t₀ 0,3 +/- 0,15 мс, что обеспечивает анализ вибросигнала частотой 4 6 кГц по одному трем полным колебаниям и обеспечивает достаточную точность регистрации изменения огибающей вибросигнала. Принятые значения t₀ и LD обеспечивают 12 36 точек замера амплитуды вибросигнала за время открытого состояния окна селекции. Учитывая, что огибающая максимальных амплитуд вибросигнала представляет собой результат сложения огибающей максимальных амплитуд колебаний, вызванных детонационным сгоранием газа, и огибающей максимальных амплитуд механического шума двигателя, а также тот факт, что разброс последовательных реализаций вибросигнала в окне селекции при отсутствии детонации значительно ниже разброса реализаций вибросигнала при наличии детонации, для идентификации наличия детонации был принят интегральный параметр вибросигнала, характеризующий характер протекания вибросигнала в окне селекции средняя мощность сигнала ND в окне селекции, определяемая как

где i номер опроса пикового детектора в окне селекции (i 1 n);
n количество опросов пикового детектора в окне селекции ADC (n 12 - 36);
ADC (i) код опроса АЦП.

На фиг. 2, Г в виде прямой 18 показано полученное значение среднего уровня сигнала от датчика 1 за рабочий цикл ДВС, иными словами, величина средней мощности сигнала ND в окне селекции. Алгоритм определения значений ND приведен на фиг. 3. На этих и последующих фигурах приняты следующие обозначения:
ND средняя мощность вибросигнала за цикл;
LD длительность, или длина окна селекции;
ADC код опроса АЦП;
SD схема кодов опроса АЦП;
NDMIN текущий минимум ND;
DELMIN скорость изменения NDMIN;
IND длина интервала определения дисперсии;
DND дисперсия ND;
FDND фильтрованная DND;
FMIN минимум FDND;
FMAX максимум FDND;
D признак наличия детонации (0 нет детонации, 1 есть детонация).

В момент возможного возникновения детонации, определяемый с помощью датчика 6 положения коленчатого вала, из ОЗУ 9 считывается эталонный сигнал, методика определения которого разработана на основании результатов выполненных экспериментов. Эталонное значение параметра вибросигнала, определяющее текущее значение уровня фона двигателя, формируется как сумма, по меньшей мере, следующих составляющих:
минимального в заданном временном интервале значения средней мощности вибросигнала (текущего минимума);
величины, характеризующей разброс (дисперсию) средней мощности вибросигнала при отсутствии детонации.

Для компенсации возможных динамических ошибок в определении упомянутых текущего минимума и дисперсии средней мощности в упомянутую сумму включается также величина запаса, обеспечивающая некоторое превышение (на 2 5%) уровня фона над уровнем шума двигателя. Текущий минимум сигнала NDMIN представляет собой наименьшую из двух величин: значения сигнала в текущем рабочем цикле и значения текущего минимума в предыдущем рабочем цикле, увеличенного на заданную величину (скорость изменения текущего минимума) (фиг. 6).

Процедура определения текущего минимума сигнала NDMIN, выполняемая с помощью блока 8 с задаваемой при калибровке скоростью восстановления, должна обеспечивать скорость изменения этого минимума около 1% от максимального значения вибросигнала на цикл работы двигателя, а диапазон абсолютных значений минимума должен перекрывать весь диапазон изменения анализируемого сигнала.

Величину дисперсии DND средней мощности вибросигнала определяют путем обработки значений отклонения текущего значения средней мощности ND (кривая 19 фиг. 5, А) сигнала от величины текущего минимума NDMIN (кривая 20). На фиг. 5, Б кривая 21 характеризует разность значений (ND NDMIN); кривая 22 DND, или дисперсию ND; кривая 23 FDND, или отфильтрованные значения DND. Процедура определения дисперсии DND осуществляется с помощью блоков 7 10.

Величина дисперсии вибросигнала шума двигателя может быть определена только в режимной области без детонации, что обусловливает неизбежность пространственного разрыва между определением величины дисперсии и ее использованием при идентификации детонации. Поэтому временные характеристики процесса определения дисперсии не имеют существенного значения. Используя тот факт, что дисперсия сигнала шума мало зависит от величины циклового наполнения, вполне корректно определение дисперсии в режимной области с малым цикловым наполнением. Вместе с тем, нельзя экстраполировать полученное значение дисперсии на режимную область с другой частотой вращения коленчатого вала, т.к. механические шумы двигателя, как правило, синхронизированы с угловым положением коленчатого вала, и положение характерных шумовых всплесков относительно окна селекции при изменении частоты вращения смещается.

Поскольку дисперсия сигнала должна характеризовать отклонение средней мощности сигнала от текущего минимума, необходимо реализовать такую процедуру получения дисперсии, которая бы, с одной стороны, определяла максимальные значения отклонения на заданном интервале, а, с другой стороны, отслеживала медленные изменения отклонения. Предложенный для реализации этих требований алгоритм расчета дисперсии (фиг. 4) предусматривает выделение значений отклонений средней мощности сигнала от текущего минимума, определенных на интервале 10 15 рабочих циклов, и ограничение скорости их изменения.

Такой способ формирования уровня фона позволяет максимально приблизить программно рассчитываемый уровень фона к его фактическому текущему значению. Действительно, дисперсия средней мощности вибросигнала шума достаточно стационарна и может быть определена заранее для данного скоростного режима работы двигателя при отсутствии детонации. В то же время уровень средней мощности вибросигнала шума, флуктуирующий во времени и различный для каждой режимной точки, выделяется непосредственно из анализируемой последовательности реализаций вибросигнала при идентификации детонации.

Таким образом, алгоритм идентификации детонационных циклов сгорания для каждого выбранного скоростного режима работы двигателя (фиг. 6) можно сформулировать следующим образом:
1. При работе двигателя в заведомо бездетонационной режимной области определяют и запоминают величину фильтрованной дисперсии (FDND) средней мощности вибросигнала (кривая 23 фиг. 5), характерную для данного скоростного режима двигателя. Под термином "заведомо бездетонационная режимная область" понимается описанная в регулировочных таблицах область положения режимных точек.

2. Определяют на некотором текущем временном интервале минимальное значение средней мощности вибросигнала (текущий минимум сигнала NDMIN, кривая 24 фиг. 7,А).

3. Рассчитывают уровень фона вибросигнала как сумму трех составляющих: минимального текущего значения средней мощности вибросигнала, величины ее дисперсии при бездетонационном сгорании на том же скоростном режиме и запаса, обеспечивающего устойчивость системы управления (результирующая кривая 25 на фиг. 7,А).

4. Производят сравнение максимального текущего значения средней мощности вибросигнала с рассчитанным уровнем фона (соответственно кривые 26 и 25 на фиг. 7).

5. При превышении текущего значения средней мощности вибросигнала над рассчитанным уровнем фона каждый рассматриваемый цикл идентифицируется как детонационный цикл. О наличии детонации свидетельствуют сигналы 27 на фиг. 7.

Использование в процессе выявления детонации в ДВС в качестве параметра вибросигнала значений средней его мощности для заданного интервала времени в рабочем цикле значительно уменьшает объем необходимых вычислительных ресурсов, что упрощает реализацию заявляемого способа. Использование при этом в качестве эталонного сигнала значений текущего уровня фона как суммы текущего минимума, выделенного из текущего значения вибросигнала, дисперсии сигнала, рассчитанной для заданной частоты вращения на основании анализа вибросигнала в режимной области без детонации, и величины запаса, обеспечивающей компенсацию возможных динамических ошибок в определении дисперсии и текущего минимума и вероятной флуктуации дисперсии во времени, позволяет максимально приблизить программно рассчитываемый уровень фона к его фактическому значению и, как следствие этого, обеспечивает более высокую степень достоверности получаемых результатов.

Использование: испытания двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: при работе ДВС на заданной частоте вращения с помощью датчика регистрируют в заданном интервале времени рабочего цикла вибросигналы, например колебания стенок блока цилиндров, осуществляют фильтрацию этих сигналов, определяют фактическое значение параметра вибросигнала, а затем сравнивают фактическое его значение с эталонным и на основе сравнения делают вывод о наличии или отсутствии детонации в ДВС, в качестве параметра вибросигнала используют среднюю его мощность для заданного интервала времени в рабочем цикле, эталонное значение формируют как сумму величин, составляющими которой, по меньшей мере, являются величина, характеризующая текущее минимальное значение средней мощности вибросигнала, и величина дисперсии средней мощности вибросигнала, предварительно определенная при работе двигателя на упомянутой частоте вращения при отсутствии детонации, а сравнивают эталонное значение с фактическим значением средней мощности вибросигнала в рабочем цикле. 7 ил.

Способ выявления детонации в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, заключающийся в том, что при работе двигателя на заданной частоте вращения с помощью датчика регистрируют в заданном интервале времени рабочего цикла обусловленные процессом сгорания топливовоздушной смеси вибросигналы, например колебания стенок блока цилиндров, осуществляют фильтрацию этих колебаний по меньшей мере в одном частотном диапазоне, соответствующем частоте колебаний при детонации, определяют фактическое значение параметра вибросигнала, а затем сравнивают фактическое значение с эталонным и на основе сравнения делают вывод о наличии или отсутствии детонации в двигателе, отличающийся тем, что в качестве параметра вибросигнала используют среднюю его мощность для заданного интервала времени в рабочем цикле, эталонное значение формируют как сумму величин, составляющими которой по меньшей мере являются величина, характеризующая текущее минимальное значение средней мощности вибросигнала, и величина дисперсии средней мощности вибросигнала, предварительно определенная при работе двигателя на упомянутой частоте вращения при отсутствии детонации, а сравнивают эталонное значение с фактическим значением средней мощности вибросигнала в рабочем цикле.