СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01M15/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и, в частности, к испытаниям, исследованию и эксплуатации автотранспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а также может быть использовано при диагностировании технического состояния ДВС по изменению неравномерности угловой скорости вращения его коленчатого вала.

Известен способ, при котором производят измерение неравномерности вращения за два оборота коленчатого вала двигателя при определенном значении угловой скорости, записываемой заблаговременно в запоминающем устройстве. Этим способом с момента начала отсчета определяют усредненные угловые скорости поворота вала на шестнадцати угловых интервалах по 45° каждый, сравнивают их с записанной ранее постоянной угловой скоростью и выдают результаты сравнения на регистрирующее устройство. Зная порядок работы цилиндров двигателя, с помощью регистрирующего устройства определяют параметры неравномерности вращения на участках измерения за два оборота вала [патент РФ №2029306, м. кл. G 01 P 3/36, 1995].

Известен также способ измерения неравномерности вращения, реализованный с помощью устройства [а.с. СССР №1035521, м. кл. G 01 P 3/36, 1983]. В основе этого способа лежат принципы, идентичные рассмотренному выше способу, а именно измеряют усредненную угловую частоту вращения вала и затем сравнивают ее с максимальным и минимальным значениями, записанными предварительно в запоминающем устройстве.

Этим способом измеряют неравномерность вращения вала на уменьшенном до 15° угловом интервале в нескольких циклах измерения.

Общими недостатками известных способов измерения неравномерности вращения вала в рассмотренных аналогах являются: недостаточная точность измерений и низкая чувствительность измерителей, которые не позволяют определить изменение угловой скорости вращения вала или ее мгновенное значение в пределах углового поворота вала до 1°, большая трудоемкость измерений и сложность сопутствующих вычислений, что снижает надежность и повышает вероятность появления ошибки.

Наиболее близким аналогом по решаемой задаче и достигаемому техническому результату является способ, реализованный с использованием устройства для контроля неравномерности вращения вала ДВС [а.с. СССР №1348696, м. кл. G 01 М 15/00, 1987].

При измерении по данному способу производят накопление информации о текущих значениях усредненной угловой скорости вращения вала в пределах фиксированного углового интервала и затем сравнивают полученную величину с максимальным ω_max и минимальным ω_min значениями, записанными в регистры в предыдущих циклах измерения. Неравномерность вращения вала δ определяют путем расчета параметров в вычислительном устройстве по формуле

Основными недостатками этого способа измерения можно считать большой угловой интервал определения и записи усредненной угловой скорости, который соответствует, ориентировочно, десяти градусам, что снижает точность измерений; необходимость применения вычислительного устройства, а также сложный алгоритм записи информации текущего значения усредненной угловой скорости в тот или иной регистр по критерию сравнения величины его кода с ранее измеренными и хранящимися в регистрах кодами ω_max и ω_min, что приводит к сбоям и ошибкам работы вычислителя, причем регистры хранения цифровой информации, пропорциональной полной величине значений угловой скорости вращения вала на сравнительно большом угловом интервале, должны иметь достаточное количество разрядов, тем большее, чем большей чувствительностью к изменению угловой скорости должен обладать прибор.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения изменения угловой скорости вращения вала, уменьшение углового интервала измерения мгновенной угловой скорости до 1°, снижение трудоемкости и объема вычислений при определении параметров неравномерности вращения за счет непосредственного их измерения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что первичную обработку информации по измерению неравномерности вращения производят путем сравнения информации за один временной интервал прохождения соседних маркировочных элементов с информацией за последующий временной интервал вычитанием второго значения из первого. Так как информация представлена в виде цифровых кодов, то в результате такого вычитания остается код, пропорциональный приращению мгновенной угловой скорости Δω за время поворота коленчатого вала двигателя на один интервал, равный углу Δϕ между соседними маркировочными элементами, например зубьями зубчатого венца маховика. Так как значение Δϕ относительно невелико (в современных двигателях составляет 3-4° по окружности и в принципе желательно довести его до 1°), то приращение угловой скорости на этом угловом интервале тоже будет небольшим. Это означает, что представление его с большой точностью в двоичном коде осуществляют с использованием небольшого числа разрядов (от 3 до 8). Снижение разрядности цифрового кода информации позволит уменьшить используемое количество радиоэлементов, а значит, повысить надежность аппаратуры, улучшить ее энергетические и эргономические характеристики при одновременном снижении габаритных размеров управляющего устройства.

На фиг.1 показана схема расположения зубчатого венца Б маховика ДВС с зубьями 1, 2, 3 и т.д. и датчика сигналов А. На фиг.2 представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа измерения неравномерности вращения вала, а на фиг.3 - эпюры сигналов на участках этой схемы.

Сущность изобретения поясняется следующим описанием способа его реализации. Вначале задаются промежутком времени измерения при определенном угле поворота вала и определяют величину приращения мгновенной угловой скорости Δω за этот промежуток времени или в конце угла поворота коленчатого вала по сравнению с начальным значением. Для этого всю окружность одного оборота вала (ϕ=360°) разбивают на отдельные равные угловые участки Δϕ, в пределах которых необходимо измерить приращение угловой скорости. На валу ДВС, неравномерность вращения которого измеряют, устанавливают измерительный диск, в качестве которого можно использовать, например, зубчатый венец маховика ДВС. На внешнем периметре диска (зубчатого венца маховика) располагаются контрольные маркеры (зубцы) на фиксированном расстоянии Δl друг от друга. Расстояние Δl связано со значением Δϕ зависимостью

где R - внешний радиус круга (венца маховика).

Учитывая, что Δϕ=const, также и Δl=const.

Время прохождения каждого очередного участка Δl при вращении вала, а значит, и диска с маркерами зависит от величины угловой скорости ω вращения вала за этот период времени. Путем сравнения значений угловой скорости на соседних участках Δl₁ и Δl₂ между собой определяют величину приращения мгновенной угловой скорости (+Δω или -Δω) на последующем участке по сравнению с предыдущим.

Угловая скорость вращения вала ω_i на каждом участке длины окружности Δl_i пропорциональна времени прохождения Δt_i соседних маркеров относительно фиксированной неподвижной точки (в которой установлен, например, индуктивный датчик):

Из этого выражения следует, что определить значение угловой скорости на каждом участке длины окружности Δl_i можно путем измерения времени Δt_i прохождения соседних маркеров относительно одной фиксированной неподвижной точки. Если из времени прохождения предыдущего участка вычесть время прохождения последующего, то можно определить приращение угловой скорости на последующем участке по сравнению с предыдущим:

Из этой формулы следует, что для определения приращения угловой скорости на последующем участке по сравнению с предыдущим участком достаточно измерить приращение времени τ прохождения соседних фиксированных участков Δl₁ и Δl₂ с учетом знака (+ или -).

τ=Δt_i-Δt_i+1

В случае равенства времени прохождения двух соседних участков, т.е. Δt_i=Δt_i+1, получаем τ=0 и приращение Δω=0, т.е. неравномерность вращения отсутствует.

Для реализации предлагаемого способа измерения неравномерности вращения используют следующую аппаратуру (фиг.2):

- датчик угловой скорости - частоты вращения (индуктивный датчик);

- два канала измерения времени прохождения соседних участков Δl_i;

- узел синхронизации работы каналов измерения времени (коммутатор);

- регистры хранения информации;

- счетно-решающее устройство, основу которого составляет сумматор;

- выходное устройство, показывающее непосредственно неравномерность вращения вала.

Из известных устройств измерения времени и обработки информации наиболее рационально использование цифровых и импульсных устройств.

От датчика угловой скорости вращения вала при прохождении мимо него маркировочного элемента (маркера) подают сигнал на коммутатор (синхронизирующее устройство), который направляет его на первый канал измерения времени. Этот канал измеряет время в цифровом коде до прихода из датчика следующего импульса. Цифровой код переписывают в узел сравнения. При вращении вала после получения сигнала от второго маркера коммутатор направляет его на второй канал измерения времени, а в первом канале счет прекращают. Цифровой код отсчитываемого времени прохождения второго участка переписывают в узел сравнения и вычитают из записанного в нем ранее кода времени прохождения первого участка. Одновременно этот же код записывают в регистр кратковременного хранения информации узла сравнения. С приходом следующего маркерного сигнала коммутатор вновь направляет его в первый канал измерения времени, который предварительно обнуляют. Код из этого канала вычитают в узле сравнения из кода, хранящегося в регистре кратковременного хранения. Запись кодов и вычитание последующего из предыдущего идут поочередно, при этом из узла сравнения в каждом угловом интервале поворота вала Δϕ_i в регистр хранения результатов переписывают результат сравнения (величина τ), несущий информацию о приращении угловой скорости Δω (или неравномерности вращения δ) на этом интервале с учетом знака. Из регистра хранения результатов информацию непосредственно в цифровом коде переводят в выходное устройство по мере необходимости. Меньший цифровой код показывает меньшую неравномерность вращения.

Таким образом, основные преимущества предлагаемого способа измерения неравномерности вращения вала заключаются в большей автоматизации и ускорении процесса определения величины и знака приращения мгновенной угловой скорости в последующем интервале угла поворота вала по сравнению с предыдущим угловым интервалом и представлении этой информации без сложных вычислительных операций непосредственно в двоичном цифровом коде малой разрядности. Данный способ может быть использован в современных системах диагностирования и управления ДВС, требующих высокой оперативности измерения приращений мгновенной угловой скорости вращения коленчатого вала на малом угловом интервале его поворота.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Сущность: определяют параметр вращения в пределах фиксированного углового интервала поворота вала и сравнивают его с этим параметром на другом угловом интервале. В качестве параметра вращения используют время поворота и сравнивают его с временем поворота вала на последующем угловом интервале, а диапазон углового интервала выбирают в пределах одного градуса. Технический результат: повышение точности и снижение трудоемкости измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения неравномерности вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания путем определения параметра вращения в пределах фиксированного углового интервала поворота вала и сравнения его с этим параметром на другом угловом интервале, отличающийся тем, что в качестве параметра вращения используют время поворота и сравнивают его с временем поворота вала на последующем угловом интервале, а диапазон углового интервала выбирают в пределах одного градуса.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что результаты сравнения временных интервалов учитывают в двоичном цифровом коде.