УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТЕКУЩЕГО ОБЪЕМА ЦИЛИНДРА ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ Российский патент 2005 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС), поршневых компрессоров, в частности к измерительным устройствам для оценки технического состояния тепловых двигателей, и может быть использовано в конструкции этих устройств, при проведении диагностики ДВС и компрессоров в эксплуатационных условиях.

Известны измерительные устройства для оценки технического состояния ДВС, где в качестве преобразователей текущего объема цилиндра используются магнитные устройства, фотоэлектрические схемы и др. [1, 2]. Такие преобразователи при наличии с одной стороны, дополнительно, оптоэлектронных развязок и электрических цепей, а с другой стороны дисков со специальными прорезями достаточно сложны и практически неприменимы на эксплуатируемых двигателях.

Имеются также преобразователи, встроенные в измерительные комплексы для контроля технического состояния ДВС, где импульсы формируются при помощи, например, 31-й или 361-й отметки [3], установленных на маховике, специально для управления сбором динамической информации. Далее, через аналого-цифровое преобразование информация (скорректированная по частоте) поступает на микроЭВМ. Однако данный способ формирования функции объема газов в цилиндре V(α), выигрывая в точности, сложен в своей конструктивной реализации (большое число меток на маховике, сложности установки и приспособлений для каждого конкретного двигателя).

Таким образом, усложнение преобразователей объема цилиндра и движения поршня в цилиндре и повышенные на них цены ведут к тому, что степень их использования в измерительных комплексах для контроля технического состояния поршневого ДВС и компрессора при испытаниях практически ограничена лишь лабораторными или стендовыми условиями.

Среди известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому преобразователю является устройство преобразователя текущего объема цилиндра, описанное в [4] и предназначенное для генерации функции V(α). Это устройство содержит формирователь функции sinα, преобразователи масштаба постоянных величин λ_∂, ε, V_h, формирователи sin2α, cosα и sin²α, первое, второе и третье перемножающие устройства, первое и второе суммирующие устройства, причем выходы формирователей sin2α и sin²α подключены соответственно к первому входу первого и второго перемножающих устройств, а преобразователь масштаба величины λ_∂ подсоединен ко второму входу первого и второго перемножающих устройств, выход первого перемножающего устройства связан со вторым входом первого суммирующего устройства, а выходы второго перемножающего устройства, формирователя cosα и преобразователя масштаба величины ε подключены ко входам второго суммирующего устройства, выход которого связан с первым входом третьего перемножающего устройства, а второй его вход - с преобразователем масштаба величины V_h.

Недостатком известного преобразователя является следующее. Поскольку применяемые в нем синхронные машины переменного тока - тахогенераторы специально не конструируются для воспроизведения функции sinα в измерительных устройствах, то сигнал получается с помехами. Процент высокочастотных составляющих высок (до 30%). Поэтому на практике приходится в схему вводить фильтр [1]. Большие помехи также возникают при использовании в качестве генератора sinα магнитных барабанов, установленных на коленчатом валу двигателя [2, 4].

Вторым недостатком является зависимость выходного напряжения от частоты вращения вала двигателя. Получение стабильного по напряжению сигнала с помощью автоматического регулятора усиления с глубокой регулировкой, как показывают эксперименты, затруднено в связи с ненадежностью работы электронной схемы.

Изобретением решается задача устранения вышеотмеченных недостатков, а также упрощение и оптимизация работы устройства преобразователя текущего объема цилиндра поршневой машины и возможность его использования на эксплуатируемых ДВС и компрессорах.

Это достигается тем, что для получения функции объема газов в цилиндре V(α) с вала (маховика) двигателя "снимается" в течение рабочего цикла лишь одна метка. В качестве единственной метки выбрана верхняя мертвая точка двигателя (ВМТ). Для этого в устройстве преобразователя текущего объема цилиндра поршневой машины, содержащем формирователь функции sinα, преобразователи масштаба постоянных величин λ_∂, ε, V_h, формирователи sin2α, cosα и sin²α, первое, второе и третье перемножающие устройства, первое и второе суммирующие устройства, причем выход формирователя sinα подсоединен ко входам формирователей sin2α, cosα и sin²α, а также к первому входу первого суммирующего устройства, выходы формирователей sin2α и sin²α подключены соответственно к первому входу первого и второго перемножающих устройств, а преобразователь масштаба величины λ_∂ подсоединен ко второму входу первого и второго перемножающих устройств, выход первого перемножающего устройства связан со вторым входом первого суммирующего устройства, а выходы второго перемножающего устройства, формирователя cosα и преобразователя масштаба величины ε подключены ко входам второго суммирующего устройства, выход которого связан с первым входом третьего перемножающего устройства, а второй его вход - с преобразователем масштаба величины V_h, согласно изобретению, дополнительно содержится датчик положения ВМТ, выполненный оптическим и последовательно соединенным с задающим генератором импульсов, дифференциальным каскадом, генератором пилообразного сигнала, формирователем sinα, через фильтр низкой частоты (ФНЧ) и формирователь управляющего сигнала коммутирующим блоком с пакетом фильтров Чебышева.

Теоретическое обоснование способа, на котором основана работа заявляемого устройства, приводится на графиках I и II. На этих графиках приведены расчетные зависимости методической относительной погрешности определения среднеиндикаторного давления p_i и регистрируемых кривых скорости тепловыделения при реализации предлагаемого метода генерирования функции V(α). Наряду со способом определения p_i и фаз процесса сгорания при работе устройства от одной метки ВМТ, снимаемой с маховика, рассматривались методы, основанные на сборе более подробной информации (31, 61, 361 метка и более) с последующим аналого-цифровым преобразованием. Как показывают расчеты, относительные погрешности определения p_i не превышают 1,0%, причем исследования проведены при разных степенях неравномерности вращения вала двигателя и при разном числе цилиндров. Погрешности, имеющие место при регистрации кривых интенсивности тепловыделения, на фазовые характеристики процесса горения практически не влияют.

Следует отметить, что функционально преобразователь текущего объема цилиндра поршневой машины выполняется в зависимости от геометрии кривошипо-шатунного механизма двигателя.

В случае наиболее распространенных аксиальных механизмов имеем:

где V_h - рабочий объем цилиндра, ε - степень сжатия, λ_δ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, α - угол поворота коленчатого вала двигателя.

Изобретение поясняется графически (фиг.1-4). На фиг.1 представлена блок-схема устройства. Как следует из фиг.1, помимо цилиндра двигателя 1 и коленчатого вала с маховиком 2, устройство включает в себя последовательно соединенные оптический датчик положения ВМТ 3, задающий генератор импульсов 4, фильтр низкой частоты (ФНЧ) 4.1, формирователь управляющего сигнала 4.2, дифференциальный каскад 5, генератор пилообразного сигнала 6, формирователь функции sinα 7, которые через коммутирующее устройство 8 подключены к входу пакета фильтров Чебышева 9, выход которого подсоединен к входам формирователей sin2α 13, sin²α 14, cosα 15, а также к первому входу первого суммирующего устройства 17.

Выходы формирователей sin2α 13, sin²α 14 подключены соответственно к первому входу первого и второго перемножающих устройств 16, а преобразователь масштаба величины λ_∂ 10 подсоединен ко второму входу первого и второго перемножающих устройств 16.

Выход первого перемножающего устройства 16 связан с вторым входом первого суммирующего устройства 17, а выходы второго перемножающего 16, формирователя cosα 15 и преобразователя масштаба величины ε 11 подключены к входам второго суммирующего устройства 17, выход которого связан с первым входом третьего перемножающего устройства 16, а второй его вход связан с преобразователем масштаба величины V_h 12.

Управление преобразователями масштаба величин λ_∂, ε и V_h осуществляется оператором с пульта 18 устройства. Эти величины задаются каждый раз перед испытаниями в зависимости от типа двигателя.

На фиг.2 показаны временные диаграммы работы генератора sinα и используются следующие обозначения: U_вых - выходное напряжение сигнала, V; τ - текущее время, с.

Устройство преобразователя работает следующим образом. Импульс, соответствующий ВМТ с выхода оптического датчика 3 через задающий генератор импульсов 4 преобразуется в меандр и поступает на вход дифференциального каскада 5. Выходной сигнал после дифференциального каскада 5 подается на генератор пилообразного сигнала 6, далее на формирователь функции sinα 7 и через фильтр низкой частоты (ФНЧ) 4.1 и формирователь управляющего сигнала 4.2 импульсы поступают на входы пакета 9, состоящего из активных фильтров Чебышева третьего порядка. В результате генерируется сигнал sinα, который поступает на входы формирователей sin2α 13, sin²α 14, cosα 15, а также к первому входу первого суммирующего устройства 17. В результате, через преобразователи масштаба величин λ_∂ 10, ε 11, V_h 12 и суммирующие 17, а также перемножающие 16 устройства на выходе преобразователя имеем функцию V(α).

Управление коммутирующим устройством 8 осуществляется посредством блоков 4.1 и 4.2 следующим образом. Сигнал sinα с выхода 7 поступает на ФНЧ 4.1, который настроен на частоту "среза" 30 Гц. В случае, если частота вращения вала двигателя ниже 30 Гц, формирователем управляющего сигнала 4.2 вырабатывается управляющий импульс на подключение из пакета ФНЧ фильтра Чебышева на f_гр=15 Гц, т.е. рассчитанного на более низкую частоту и наоборот. Таким образом, формирователь управляющего сигнала 4.2 выдает импульсы на коммутирующее устройство 8, которое замыкает ключи К1 или К2.

Номера выходов 3, 4, 5, 6, 7 и 9 на фиг.2 соответствуют обозначениям блоков, принятым на фиг.1.

На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики активных фильтров Чебышева (третьего порядка), собранных для частот "среза" f_гр=15 Гц и f_гр=30 Гц. U_max - максимальный уровень напряжения, соответствующий воспроизводимому sinα, измеряемый в mV. Выбор фильтров Чебышева связан с особенностями их амплитудно-частотной характеристики, отличающейся небольшими колебаниями (пульсациями) напряжения около заданного уровня в установленных пределах, в полосе пропускания частот от 0 до f_гр. Как следует из экспериментально построенной амплитудно-частотной характеристики фильтров, качество получаемого sinα сильно зависит от частоты вращения вала поршневой машины и, как показывают исследования, резко ухудшается вне полосы пропускания. В полосе пропускания δsinα<0,5...1,0%, что доказано проведенным гармоническим анализом функции sinα и является допустимым. При этом коэффициент нелинейных искажений равен 5,0%, а измеренный 0,5%.

Однако, чтобы получить sinα с заданной погрешностью менее 1,0% для широкого диапазона частот вращения вала двигателя, необходим целый пакет фильтров с пересекающимися между собой полосами пропускания, что и осуществлено в устройстве. На фиг.3 в качестве примера показаны два таких фильтра.

На фиг.4 показан пример конкретного исполнения устройства генератора sinα, встроенного в преобразователь текущего объема цилиндра поршневой машины. На фиг.4 приняты следующие обозначения: R1...R8 - постоянные резисторы; R9 - переменный резистор; С1...С3 - емкости; П1, П2 - переключатели; КТ 801А - транзистор; 140 УД8 - усилитель; ФНЧ - 15, ФНЧ - 30 - фильтры низкой частоты, рассчитанные на частоты "среза" 15 и 30 Гц.

Предлагаемое устройство в сравнении с прототипом конструктивно является более простым и не дорогим, а также приспособлено к эксплуатационным условиям работы поршневых машин. Ожидаемый от использования устройства технико-экономический эффект заключается в совершенствовании процесса наладки двигателей, в ускорении процесса доводки новых и эксплуатируемых образцов тепловых машин.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Аппаратурная реализация кривой тепловыделения на экране осциллографа. Магнитский Ю.А., Людвикевич Е.А.: Труды РИИЖТа, Межвуз. темат. сборник, вып.180. - Ростов-на-Дону, 1985, с.14-17.

2. Магнитский Ю.А. и др. Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. А.С. №1508123, опубл. 15.09.89 в БИ №34.

3. Кааре Ааен. Контроль технического состояния дизелей. Двигателестроение. Л. №6, 1989, с.27-29.

4. Магнитский Ю.А. и др. Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре поршневой машины. А.С. №1012068, опубл. 15.04.83 в БИ №14.

Устройство предназначено для контроля работы, наладки и диагностики поршневых машин, преимущественно двигателей внутреннего сгорания. Устройство содержит последовательно соединенные оптический датчик положения, задающий генератор импульсов, фильтр низкой частоты, формирователь управляющего сигнала, дифференциальный каскад, генератор пилообразного сигнала и формирователь функции sinα, которые через коммутирующее устройство подключены к входу пакета фильтров Чебышева, выход которого подсоединен к входам формирователей sin2α, sin²α, cosα и к первому входу первого суммирующего устройства. Выходы формирователей sin2α и sin²α подключены соответственно к первым входам первого и второго перемножающих устройств. Преобразователь масштаба величины λ_∂ подсоединен ко вторым входам первого и второго перемножающих устройств, выход первого из которых связан с вторым входом первого суммирующего устройства, а выходы второго формирователя cos α и преобразователя масштаба величины ε подключены к входам второго суммирующего устройства, выход которого связан с первым входом третьего перемножающего устройства, а второй его вход - с преобразователем масштаба величины V_h. Управление преобразователями масштаба величин λ_∂, ε и V_h осуществляется оператором с пульта устройства. Изобретение обеспечивает упрощение и оптимизацию работы. 4 ил.

Устройство преобразователя текущего объема цилиндра поршневой машины, содержащее формирователь функции sinα, преобразователи масштаба постоянных величин λ_∂, ε, V_h, формирователи sin2α, cosα и sin²α, первое, второе и третье перемножающие устройства, первое и второе суммирующие устройства, причем выход формирователя sinα подсоединен ко входам формирователей sin2α, cosα и sin²α, а также к первому входу первого суммирующего устройства, выходы формирователей sin2α и sin2α подключены соответственно к первому входу первого и второго перемножающих устройств, а преобразователь масштаба величины λ_∂ подсоединен ко второму входу первого и второго перемножающих устройств, выход первого перемножающего устройства связан со вторым входом первого суммирующего устройства, а выходы второго перемножающего устройства, формирователя cosα и преобразователя масштаба величины ε подключены ко входам второго суммирующего устройства, выход которого связан с первым входом третьего перемножающего устройства, а второй его вход - с преобразователем масштаба величины V_h, отличающееся тем, что в нем дополнительно содержится датчик положения ВМТ, выполненный оптическим и последовательно соединенным с задающим генератором импульсов, дифференциальным каскадом, генератором пилообразного сигнала, формирователем функции sinα, через фильтр низкой частоты (ФНЧ) и формирователь управляющего сигнала коммутирующим блоком с пакетом фильтров Чебышева.