МЕТОД И УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к области автоматики, а именно к контрольно-измерительным приборам и устройствам сигнализации для транспорта, и может использоваться для постоянного контроля технического состояния топливной аппаратуры высокого давления (ТАВД) дизелей транспортных машин.

ТАВД представляет собой сложную систему, параметры, конструкция и техническое состояние которой оказывают существенное влияние на протекание рабочего процесса дизеля, а следовательно, на все эксплуатационные характеристики двигателя, его надежность. Вместе с тем доля отказов ТАВД от общего числа отказов дизеля составляет до 50%. При этом наиболее частыми дефектами являются соответственно износ и заклинивание плунжера, снижение давления начала подъема иглы, ее зависание, износ деталей привода и т.д. [1, 2].

Сложность процесса диагностирования определяется периодичностью протекающих процессов, их высокой цикличностью, изменением параметров в соответствии с нагрузкой дизеля, скоростным режимом его работы, а также конструктивными особенностями каждой из линий нагнетания, фазовыми сдвигами каждой топливоподачи [1, 3].

Ограничение информационных возможностей штатных контрольно-измерительных приборов, а также периодичность углубленного диагностирования технического состояния автомобиля не позволяют своевременно обнаруживать развивающиеся отказы и неисправности.

Объективная оценка технического состояния может быть получена только по результатам диагностирования ТАВД с применением специальных технических средств.

Известны следующие методы функциональной диагностики ТАВД:
- метод сопоставления реализации сигнала с эталонным;
- метод выделения из сигнала признаков, характеризующих техническое состояние составных частей объекта [3].

Данный метод обладает высокой информативностью при достаточной точности. Недостатком данного метода является поочередное диагностирование приборов каждой линии, необходимость идентичности режима работы эталонного образца или учет значительного количества факторов, влияющих на точность математической модели, необходимость учета задержки и очередности подачи топлива секциями ТНВД, трудность регистрации стабильности цикловой подачи каждой секцией ТНВД. Эти недостатки значительно снижают эффективность процесса диагностирования, повышают трудоемкость и сложность приборов.

Проверка технического состояния возможна непосредственно на дизеле, однако это требует высокой производительности и большой оперативной памяти бортового компьютера. Быстродействие даже мощных профессиональных станций при расчете процесса топливоподачи с учетом всех управляющих факторов на порядок ниже необходимой и больше продолжительности топливоподачи, что заставляет проводить диагностирование периодически или снижать точность расчетов.

Метод выделения из сигнала признаков, характеризующих техническое состояние составных частей объекта, позволяет проводить непрерывное диагностирование на двигателе, однако представляет трудности процесс выделения из сигнала признаков, характеризующих техническое состояние объекта. При этом не исключена возможность ложного срабатывания схем в случае наложения нескольких сигналов и требуется наличие сложных схем анализа сигнала, различных фильтров. Недостатком также является то, что техническое состояние объекта определяется по состоянию отдельных составных частей.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение непрерывного функционального диагностирования ТАВД в процессе эксплуатации транспортного средства.

Наиболее близким в части метода (способа) является способ непрерывного функционального диагностирования топливной аппаратуры (см. Клюев В.В., Пархоменко П. П. , Абрамчук В.Е. и др. Технические средства диагностирования. Справочник, Машиностроение, 1982, стр. 207-208).

Наиболее близким в части устройства является устройство, реализующее данный способ и состоящее из датчиков, устанавливаемых в каждой линии нагнетания, усилителей сигнала, коммутатора, инвертирующего сумматора, блока уставок, компаратора, блока вычисления задержки сигнала, блока задержки сигнала, сигнализатора, датчиков нагрузки, начала геометрической подачи и датчика импульсов, схем определения переходного режима по нагрузке, начала геометрической подачи, вычисления частоты вращения вала топливного насоса высокого давления (см. там же, стр. 339-342).

Задача в части метода (способа) достигается за счет того, что в способе непрерывного функционального диагностирования топливной аппаратуры высокого давления сопоставляют попеременно регистрируемые сигналы различных линий нагнетания с учетом их фазового сдвига, причем сравнение происходит в процессе функционирования топливной аппаратуры высокого давления и производится поочередно, разность между попеременно сравниваемыми сигналами при этом является диагностируемым параметром, допустимая разность значений сравниваемых сигналов определяется нагрузкой, скоростным, а также переходными режимами работы дизеля.

Задача в части объекта изобретения устройства достигается за счет того, что устройство, реализующее данный способ и состоящее из датчиков, устанавливаемых в каждой линии нагнетания, усилителей сигнала, коммутатора, инвертирующего сумматора, блока уставок, компаратора, блока вычисления задержки сигнала, блока задержки сигнала, сигнализатора, датчиков нагрузки, начала геометрической подачи и датчика импульсов, схем определения переходного режима по нагрузке, начала геометрической подачи, вычисления частоты вращения вала топливного насоса высокого давления, снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями, двумя запоминающими устройствами, причем коммутатор имеет два выхода, соединенных с аналого-цифровыми преобразователями, связанными с инвертирующим сумматором, а ко входам компаратора подключены инвертирующий сумматор и блок вставок.

Устройство, реализующее данный метод, периодически записывает сигнал и сравнивает его с записью сигнала предшествующего процесса топливоподачи в другой линии нагнетания с учетом фазового сдвига по углу поворота кулачкового вала ТНВД. Затем происходит сравнение с последующим сигналом, записанным вместо предыдущего. В последующем очередной сигнал записывается в память устройства вместо уже сравненного, и сравнение продолжается. Таким образом происходит сравнение записываемых в память устройства сигналов друг с другом, их несовпадение в случае превышения определенного для каждого установившегося или переходного режимов работы дизеля значения регистрируется и выдается информация водителю в виде оптического или звукового воздействия.

С целью упрощения устройства без снижения достоверности диагностирования возможна регистрация части сигнала за короткий промежуток времени, например, максимального давления топливоподачи у штуцера форсунки, или давления топлива у форсунки в строго определенный момент времени по углу поворота кулачкового вала ТНВД после предполагаемого подъема иглы распылителя.

Сопоставительный анализ заявленных решений и выбранных в качестве прототипов показывает, что предполагаемые решения обеспечивают непрерывное функциональное диагностирование за счет попеременной регистрации сигналов различных линий нагнетания с учетом их фазового сдвига с оценкой разности между ними. Допустимая разность значений сравниваемых сигналов определяется нагрузкой, скоростным, а также переходными режимами работы дизеля.

Техническая реализация данного метода осуществляется тем, что кратковременное подключение одного из аналого-цифровых преобразователей к очередному датчику линии нагнетания с учетом фазового сдвига процесса топливоподачи по отношению к предыдущему и характерной точки замера осуществляет коммутатор по сигналам со схем определения начала геометрической подачи и вычисления частоты вращения вала ТНВД. Следующее подключение очередного датчика давления коммутатор производит к другому аналого-цифровому преобразователю. Сигналы с обоих аналого-цифровых преобразователей в промежутке между подключениями к измерительным линиям поступают в инвертирующий сумматор, после которого их разность сравнивается с допустимой. Допустимая разность определяется блоком уставок (ПЗУ) в соответствии с нагрузочным, скоростным режимами, а также скоростью перемещения регулировочного органа ТНВД. Превышение по модулю значения разности давлений смежных по очередности функционирования линий нагнетания регистрируется через блок задержки сигнала сигнализатором. Отключение сигнализатора и возвращение схемы в исходное состояние производится сигналом, который вырабатывается блоком вычисления задержки сигнала сброса с учетом скоростного режима работы дизеля и комфортности восприятия сигнала устройства.

При реализации предлагаемого метода осуществляются непрерывный функциональный контроль технического состояния ТАВД, переход на обслуживание транспортных средств по техническому состоянию с повышением эффективности их использования при низкой трудоемкости диагностирования и простоты устройства.

Заявляемые решения отличаются от прототипа тем, что в предлагаемом методе эталонным сигналом являются попеременно регистрируемые сигналы различных линий нагнетания с учетом их фазового сдвига. Разность между попеременно сравниваемыми сигналами при этом является диагностическим параметром. Допустимая разность значений сравниваемых сигналов определяется нагрузкой, скоростным, а также переходными режимами работы дизеля.

Для устройства отличие от прототипа заключается в том, что коммутатор, управляемый схемами определения начала геометрической подачи и вычисления частоты вращения вала ТНВД, соединен с аналого-цифровыми преобразователями независимыми каналами. Коммутатор по сигналам со схем определения начала геометрической подачи и вычисления частоты вращения вала ТНВД производит кратковременное подключение одного из аналого-цифровых преобразователей к очередному датчику линии нагнетания с учетом фазового сдвига процесса топливоподачи по отношению к предыдущему сигналу и характерной точки замера. Следующее подключение очередного датчика коммутатор производит к другому аналого-цифровому преобразователю. Сигналы с обоих аналого-цифровых преобразователей между их подключениями к измерительным линиям поступают в инвертирующий сумматор, после которого их разность сравнивается с допустимой, определяемой блоком уставок (ПЗУ) в соответствии и с нагрузочным, и скоростным режимами, а также скоростью перемещения регулировочного органа ТНВД. Превышение по модулю значения разности сигналов смежных по очередности функционирования линий нагнетания регистрируется через блок задержки сигнала сигнализатором. Отключение сигнализатора и возвращение схемы в исходное состояние производится сигналом, который вырабатывается блоком вычисления задержки сигнала сброса с учетом скоростного режима работы дизеля и комфортности восприятия.

Таким образом, отличия, связанные с попеременной регистрацией сигнала каждой из линий нагнетания и их сравнением между собой с оценкой степени несовпадения, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых решений критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемые решения, не выявлены в других решениях при изучении данной области техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображены совмещенные диаграммы давлений в линиях нагнетания и карты сигналов (для четырехцилиндрового дизеля).

На фиг.1 изображены:
а) совмещенные диаграммы давлений в линиях нагнетания;
б) диаграмма уровня сигналов датчиков давления на оперативно-запоминающих устройствах;
в) диаграмма сигналов на сравнивающем устройстве;
г) диаграмма управляющих сигналов сигнализатором,
где ϕ - угол поворота кулачкового вала ТНВД; ϕ_c - задержка замера от начала геометрической подачи; p_фn - давление у форсунок соответствующей линии нагнетания; U_озу1 и U_озy2 - уровень сигналов на оперативно-запоминающих устройствах и очередность их сравнения; U_oзy21 - модуль разности сигналов U_озу1 и U_озy2; U_сиг - управляющие сигналы.

Предлагаемый метод реализуется следующим образом.

Запись сигнала датчика одной из линий нагнетания сравнивается с записью предыдущего сигнала с учетом его фазового сдвига, затем происходит сравнение с записью последующего сигнала датчика очередной линии нагнетания. Запись последующего сигнала датчика очередной линии нагнетания осуществляется в оперативно-запоминающее устройство вместо предыдущего. Таким образом, любой из сигналов сравнивается с двумя - предыдущим и последующим. Их несовпадение является диагностировочным параметром.

На фиг.2 изображена функциональная схема устройства (для четырехцилиндрового дизеля).

Устройство состоит из датчиков давления топлива 1.1-1.4, установленных у форсунок в различных линиях нагнетания, датчика нагрузки 2, датчика определения начала геометрической подачи топлива 3, датчика импульсов 4, усилителей сигнала 5.1-5.4, коммутатора 9, схем определения переходного режима 6, определения начала геометрической подачи топлива 7 и определения частоты вращения вала ТНВД 8, двух аналого-цифровых преобразователей 10.1-10.2, двух ОЗУ 12.1-12.2, компаратора 14, блока вычисления задержки сигнала сброса 15, схемы задержки (RS-триггер) 16 и сигнализатора 17.

Усилители сигнала 5.1-5.4 усиливают сигналы датчиков давления перед коммутатором 9. Датчик нагрузки 2 установлен в корпусе ТНВД. Он регистрирует положение регулировочного органа и подключен к схеме определения переходного режима 6 и коммутатору 9. Датчики определения начала геометрической подачи топлива 3 и импульсов 4 установлены на кулачковом валу ТНВД, подключены соответственно к схемам определения начала геометрической подачи 7 и схеме определения частоты вращения кулачкового вала ТНВД 8. Коммутатор 9 управляется сигналами с датчика нагрузки 2 и схем: определения начала геометрической подачи топлива 7 и определения частоты вращения вала ТНВД 8, имеет два выхода, соединенных с аналого-цифровыми преобразователями 10.1-10.2 и ОЗУ 12.1-12.2. Схемы определения начала геометрической подачи 7 и определения частоты вращения кулачкового вала ТНВД 8 соединены связью также с блоком уставок (ПУЗ) 11. Схема определения частоты вращения кулачкового вала ТНВД 8 управляет и блоком вычисления задержки сигнала сброса 15. Оба аналого-цифровых преобразователя 10.1 и 10.2 через ОЗУ 12.2 связаны с инвертирующим сумматором 13. Ко входам компаратора 14 подключены инвертирующий сумматор 13 и блок уставок (ПЗУ) 11, к выходу - один из входов блока задержки (RS-триггер) 16. Ко второму входу блока задержки (RS-триггера) 16 подключен блок вычисления задержки сигнала сброса 15. Сигнализатор 17 управляется блоком задержки (RS-триггером) 16. Устройство работает следующим образом.

Сигналы с датчиков давления 1.1-1.4 через усилитель 5.1.-5.4 поступают на коммутатор 9. Коммутатор 9 по сигналам со схем определения начала геометрической подачи топлива 7 и определения частоты вращения вала ТНВД 8, датчика нагрузки 2 определяет момент подключения на короткий, строго определенный промежуток времени, одного из датчиков давления к соответствующему аналого-цифровому преобразователю 10.1 или 10.2, обслуживающих различные группы датчиков давления линий нагнетания (для четного количества линий нагнетания).

Момент подключения аналого-цифрового преобразователя коммутатором 9 определяется таким образом, что в соответствующей форсунке должно осуществляться впрыскивание топлива, т.е. игла распылителя должна быть поднята. Сигнал преобразуется соответствующим аналого-цифровым преобразователем в цифровую форму и поступает в ОЗУ 12.1 или 12.2, где хранится до очередного подключения следующего по очередности датчика давления линии нагнетания данной группы. Во втором ОЗУ происходит запись очередного сигнала датчика давления линии нагнетания другой группы. Оба сигнала подаются на входы инвертирующего сумматора 13.

Таким образом в инвертирующем сумматоре 13 происходит сравнение сигнала с предыдущим по времени до тех пор, пока в запоминающем устройстве не произойдет запись следующего сигнала. После этого сравниваются очередные сигналы. Определенная разность сигналов подается на компаратор 14, где сравнивается с допускаемой для каждого конкретного режима работы дизеля. Допускаемое несовпадение сигнала определяется блоком уставок (ПЗУ) 11 по сигналам со схем определения переходного режима 6, определения начала геометрической подачи топлива 7 и определения частоты вращения вала ТНВД 8. В случае превышения допустимой разности уровня сигналов сигнал с компаратора 14 поступает на блок задержки сигнала (RS-триггер) 16 и с него на сигнализатор 17. Время нахождения блока задержки сигнала (RS-триггера) 16 в данном устойчивом состоянии определяется блоком вычисления задержки сигнала сброса 15 с учетом комфортности восприятия сигнала сигнализатора 17 через определенное число циклов топливоподачи. Датчик нагрузки 2 отключает коммутатор 9 при пусковой подаче топлива в связи с значительной разностью сигналов от датчиков.

Таким образом, за счет сравнения попеременно регистрируемых сигналов различных линий нагнетания с учетом их фазового сдвига и режимов функционирования ТАВД достигается ее непрерывное функциональное диагностирование без постоянного просчета математической модели или постоянного хранения в памяти устройства эталонных сигналов.

Функциональное диагностирование указанным способом приводит к непрерывности процесса контроля технического состояния ТАВД при высокой информативности процесса и простоте устройства, реализующего данный метод.

Использование заявляемого изобретения позволит перейти автотранспортным предприятиям на систему технического обслуживания по техническому состоянию, улучшить экологические показатели дизелей и снизить себестоимость эксплуатации дизельных автомобилей при их высокой технологичности.

Литература
1. Астахов И.В., Трусов В.И., Хачиян А.С., и др. Подача и распыливание топлива в дизелях. - М.: Машиностроение, 1971.

2. Ефимов С. И. , Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1985.

3. Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др. Технические средства диагностирования. Справочник. - М.: Машиностроение, 1982.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам и способам испытания и диагностирования топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить надежность и обеспечить непрерывное функциональное диагностирование топливной аппаратуры высокого давления в процессе эксплуатации транспортного средства. Способ непрерывного функционального диагностирования топливной аппаратуры высокого давления заключается в том, что сопоставляют попеременно регистрируемые сигналы различных линий нагнетания с учетом их фазового сдвига. Сравнение происходит в процессе функционирования топливной аппаратуры высокого давления и производится поочередно. Разность между попеременно сравниваемыми сигналами при этом является диагностируемым параметром. Допустимая разность значений сравниваемых сигналов определяется нагрузкой, скоростным и переходными режимами работы дизеля. Устройство состоит из датчиков, устанавливаемых в каждой линии нагнетания, усилителей сигнала, коммутатора, инвертирующего сумматора, блока уставок, компаратора, блока вычисления задержки сигнала, блока задержки сигнала, сигнализатора, датчиков нагрузки, начала геометрической подачи и датчика импульсов, схем определения переходного режима по нагрузке, начала геометрической подачи, вычисления частоты вращения вала топливного насоса высокого давления, двух аналого-цифровых преобразователей, двух запоминающих устройств. Коммутатор имеет два выхода, соединенных с аналого-цифровыми преобразователями, связанными с инвертирующим сумматором, а ко входам компаратора подключены инвертирующий сумматор и блок уставок. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ непрерывного функционального диагностирования топливной аппаратуры высокого давления, отличающийся тем, что сопоставляют попеременно регистрируемые сигналы различных линий нагнетания с учетом их фазового сдвига, причем сравнение происходит в процессе функционирования топливной аппаратуры высокого давления и производится поочередно, разность между попеременно сравниваемыми сигналами при этом является диагностируемым параметром, допустимая разность значений сравниваемых сигналов определяется нагрузкой, скоростным, а также переходными режимами работы дизеля. 2. Устройство, реализующее данный способ и состоящее из датчиков, устанавливаемых в каждой линии нагнетания, усилителей сигнала, коммутатора, инвертирующего сумматора, блока уставок, компаратора, блока вычисления задержки сигнала, блока задержки сигнала, сигнализатора, датчиков нагрузки, начала геометрической подачи и датчика импульсов, схем определения переходного режима по нагрузке, начала геометрической подачи, вычисления частоты вращения вала топливного насоса высокого давления, отличающееся тем, что снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями, двумя запоминающими устройствами, причем коммутатор имеет два выхода, соединенных с аналого-цифровыми преобразователями, связанными с инвертирующим сумматором, а ко входам компаратора подключены инвертирующий сумматор и блок уставок.