Устройство для контроля параметров двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1985 года по МПК G01M15/00 

1 Изобретение отйосится к приборостроению, а именно к средствам для диагностики и контроля двигателей внутреннего сгорания. Известны устройства для контроля параметров двигателя внутреннего сг рания, содержащие датчик угловых по ложений с кодовой шкалой, изйерительный блок. В устройствах датчик угловых положений вырабатьшает код, текущее значение которого определяется углом поворота коленчатого вала. Это достигается тем, что некоторое знач ние кода, например нулевое, принимается за опорное, причем датчик обычно устанавливается так, что момент появления опорного значения ко да связьшают с моментом достижения поршнем опорного цилиндра положейия верхней мертвой точки (в.м.т. По сигналам датчика измерительный блок производит измерение сигнала, поступающего ца один из его измерительных входов С13. - Одним из недостатков устройств является необходимость установки и жесткой связи датчика угловых положений с коленчатым валом двигателя, в то время как в большинстве практических случаев, например, в услов ях, эксплуатационной диагностики, до ступ к коленчатому валу двигателя ограничен или невозможен, что услож няет и снижает надежность контроля и существенно ограничивает область применения. Другим недостатком устройств является сравнительно невысокая точ ность контроля, вызванная тем, что момент появления опорного значения кода не совпадает с действительным моментом,в.м.т. вследствие неточности установки датчика. К тому же в процессе эксплуатации двигателя разность между моментами появления опорного кода датчика и в.м.т. еще более увеличивается из-за увеличени зазоров в кривошипно-шатунном механизме. Известны устройства для контроля параметров двигателя внутреннего сгорания, содержащие измерительный блок, датчики давления, опорного и угловых положений, первьм и второй .формирователи импульсов, блок фазовращателей, блок селекции импульсов, усилитель, указатель момента 42 экстремума, блок синхронизации и фазовый дискриминатор, причем один из измерительных входов измерительного блока связан с выходом датчика давления через усилитель и непосредственно с входом указателя момента экстремума, управляющий вход измерительного блока связан с выходом блока синхронизации, установочный и счетный входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока селекции импульсов первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока фазовращателей, первый и второй входы которого свя-. заны с выходами датчиков опорного и угловых положений соответственно через первый и второй формирователи импульсов, Датчик угловых положений устройства за один оборот коленчатого вала двигателя формирует серию импульсов, расстояние между которыми равно определенному углу поворота вала, а число, например, числу металлических штырей, равномерно расположенных по окружности маховика. Одна из отметок датчика угловых положений, следующая за отметкой датчика опорного положения, принимается за начальную. Датчик сравнительно прост по конструкции, устанавливается на невращающейся части двигателя. При отключенной подаче топлива устройство позволяет устранить фазовый сдвиг между моментом появления начальной отметки датчика угловых положений и моментом появления максимума давления, соответствующего .т. опорного цилиндра, и, следовательно, повысить точность контроля параметров двигателя. Момент максимума давления фиксируется указателем момента экстремума, при этом точность операции устранения фазового сдвига и, следовательно, точность контроля тем выше, чем ниже порог чувствительности указателя момента экстремума С23. Недостатками известного устройства являются сравнительная сложность и низкая надежность контроля вследствие сложности и низкой надежности выполнения операции устранения фазового сдвига между моментом в.м.т. и начальной отметкой датчика угловых положений. Это вызывается тем, что любой сигнал помехи, который появляется на участке нарастания (фронте) сигнала давления в виде колебания, размах которого превышает порог чувствительности указателя момента экстремума, вызывает срабатывание последнего до момента появления максимума давления и соответственно формирование ложного сигнала Б.М.Т., опережающего момент истинного сигнала в.м. Образование ложных сигналов в.м.т моменты появления которых в силу случайного характера помех .также случайны от цикла к циклу работы двигателя, вызывает необходимость выполнения большого числа повторных регулировок при устранении фазового сдвига, снижает достоверность выпол нения этой операции, приводит в конечном итоге к появлению неверных результатов измерений и тем самым усложняет и снижает надежность конт роля параметров двигателя. Цель изобретения.-. - упрощение и повьпяение надежности контроля. Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля па i раметров двигателя внутреннего сгорания, содержащее измерительный блок, датчики давления опорного и у ловых положений, первый и второй фо мирователи импульсов, блок фазовращателей, блок селекции импульсов, усилитель, указатель момента экстре мума, блок синхронизации и фазовый дискриминатор, причем один из измерительных входов измерительного бло ка соединен с выходом датчика давле ния через усилитель и непосредственно с входом указателя момента экстремума, управляющий вход измерительного блока соединен с выходом блока синхронизации, установочный и счетный входы -которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока селекции импульсов, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вт рым выходами блока фазовращателей, первый и второй входы которого соединены с выходами датчиков опорного и угловых положений соответственно через первый и второй формирователи импульсов, снабжено первым и вторым элементами задержки, причем первый 84. 4 элемент задержки включен между первым выходом блока селе11ции импульсов. и первым входом фазового дискриминатора, а второй элемент задержки между выходом указателя момента экстремума и вторым входом фазового дискриминатора. Кроме того элементы задержки снабжены дополнительными входами, причем указанные входы подключены к второму выходу блока селекции импульсов . Блок фазовращателей содержит умножитель частоты и третий элемент задержки, выход которого служит первым выходом, вход - первым входом блока фазовращателей, дополнительный вход третьего элемента задержки и второй выход блока фазовращателей подключены к выходу умножителя частоты, вход которого служит вторым входом блока фазовращателей . На чертеже приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство содержит измерительный блок 1, датчик 2 давления, датчики опорного 3 и угловых 4 положений, первьм 5 и второй 6 формирователи импульсов, блок 7 фазовращателей, блок 8 селекции импульсов, усилитель 9, указатель 10 момента экстремума, блок I Г синхронизации и фазовь дискриминатор 12. Один из измерительных входов измерительного блока I связан с выходом датчика 2 давления через усилитель 9 и непосредственно с входом указателя 10момента экстремума, управляющий вход - с выходом блока 11 сикхронизации, установочный и счетшлй входы которого соединены соо ветственно с первым 13 и вторым 14 выходами блока 8 селекции импульсов. Первый 15 и второй 16 входы блока 8 селекции импульсов соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 7 фазовращателей, первый и второй входы которого связаны с вь ходами датчиков опорного 3 и угловых 4 положений соответственно через первый 5 и второй 6 формирователи импульсов. Устройство снабжено первым (7 и вторым 18 элементами задержки, причем первый элемент 17 задержки включен между первым 13 выходом блока 8 селекции импульсов и первым входом фазового дискриминатора 12, а второй элемент 18 задержки - между выходом указателя 10 момента экстремума и вторым входом фазового, дискри минатора 12, Элементы 17 и 18 задержки снабжены дополнительными входами, причем указанные входы подключены к второму выходу 14 блока 8 селекции импульсов. Блок 7 фазовращателей содержит умножитель 19 частоты и элемент 20 задержки, выход которого является первым выходом, а вход - первым входом блока 7 фазовращателей, допол-, нительный вход третьего элемента 20 задержки и второй выход фазовращателей подключены к выходу умножителе 19 частоты, вход которого является вторым входом блока 7 фазовращателей Блок 8 селекции импульсов пропускает на выход 14 все импульсы, посту пающие на его вход 16, за исключением первого импульса, возникающего после появления сигнала навходе 15. Этот первый пропущенный импульс поступает на выход 13. Блок 8 селекции представляет собой обычную комбинационно-логическую схему, состоящую, например, из триггера и схем совпаде ния. Указатель 10 момента экстремума вырабатывает импульс в момент достижения некоторой функцией своего экст ремального значения. В качестве указателя момента экстрем5 ма может быть использован один из известных указателей, построенных на базе однополярного пикового детект.ора и подключенного к его входу и выходу компаратора. Пиковый детектор автоматически обнуляется путем Шунтирования запоминающей емкости; если входной сигнал не достигает некоторого фиксированного уровня-и, следователь но, указатель 10 отмечает моменты появления максимума входного сигнала и любых других экстремумов, появляющихся, например, вследствие во.здействия помех, только на участке нарастания (фронте) входного сигнала. Указатель 10 не срабатывает, если размах колебания, вызванного помекой, не превышает пррога чувствитель ности его компаратора. Элемент 17- задержки может быть выполнен на базе ждущего мультивибП4 ратора с фиксированной длительностью импульса. Выходной импульс элемента 17 формируется при этом по срезу 1шпульса ждущего мультивибратора. Элемент 18 задержки может быть выполнен аналогично элементу 17 с той лишь разницей, что его ждущий мультивибратор должен обладать свойством повторного запуска. Предпочтительным является использование, цифровых ждущих мультивибраторов, построенных на базе генераторов образцовой частоты и вычитающих счетчиков сцепя-ми предустановки кода и триггерами, обеспечивающими стартстопньш режим работы. При снабжении элемента задержки дополнительным входом в качестве генератора образцовой часто- : ты используется внешний источник импульсов и время задержки t3 T«-N3, где Ту - период следования импульсов внешнего источника; NJ - код предустановки счетчика; Третий элемент 20 задержки также может быть выполнен на базе цифрового ждущего мультивибратора, работающего в режиме счета импульсов, поступающих на дополнительный вход.. В качестве задатчика кода предпочтительным является использование многооборотного потенциометра, напряжение с которого преобразуется в код с помощью аналого-цифрового преобразователя. Умножитель 19 формирует за период следования входных импульсов число импульсов, равное коэффициенту умножения К. В качестве умножителя 19 может быть использован умножитель число-импульсного типа, построенный на базе генератора опорной частоты, делителя опорной частоты с коэффициентом деления, равным коэффициенту умножения К и.управляемого делителя частоты. Фазовый дискриминатор I2 сравнивает фазы поступающих на его входы импульсов и формирует на своем индикаторе сигналы Отставание, Опережение, Синфазность.Фазовый дискриминатор может быть выполнен на базе фазового компаратора, фазометра и др. Датчик 2 давления вырабатьшает электрический сигнал, пропорциональный давлению газов в опорном цилиндр е двигателя.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 3 опорного .положения формирует один импульс за один оборот коленчатого вала в момент, опережающий на некоторый угол V момент в.м.т. поршня опорного цилиндра. Датчик 4 угловых положений формирует за оборот коленчатого вала серию импульсов, равномерно следующих один за другим через угол М ,, 360/1, где i число импульсов в серии. Импульсы датчиков 3 и 4, сформированные по форме и длительности соответственно формирователями 5 и 6, поступают на соответствующие входы блока 7 фазовращателей. На первом выходе блока 7 фазовращателей, связанном с входом 15 блока 8 селекции, формируются импульсы, сдвинутые относительно импульсов на первом его входе, связанном с датчиком 3, на некоторый угол if. , определяемый блоком фазовращателей. На втором выходе Блока 7 фазовращателей за оборот коленчатого вала формируется серия импульсов, равномерно следующих один за другим через угол , определяющий дискретность выполнения фазового сдвига Цф , где К постоянный :коэффициент, значение которого выби;рается из соображений обеспечения :требуемой точности фазового сдвига, выполняемого блоком 7. Причем каждый импульс на первом выходе блока

7синфазен с одним из импульсов на втором его выходе.

Пусть на выходе датчика 3 появляется импульс. Этот импульс через угол 44,., с соответствующего выхода блока / поступает на вход 15 блока

8селекции и изменяет его состояние так, что по срезу импульса вход

:16 блока подключается к его же выходу 13. Через угол Цд после появления импульса на входе 15 блока 8 на его входе 16 появляется очередной импульс, формируемый блоком 7 по сигналам датчика 4. Этот импульс проходит на выход 13 блока 8 и поступает на установочный вход блока 11 синхронизации. Блок II устанавливается в исходное состояние, соответствующее нулевой фазовой отметке. По срезу импульса, поступакмцего на выход 13 блока 8, последний устанав386848

ливается в состояние, при котором его вход 16 подключается к выходу 14 этого же блока. При повороте коленчатого вала на угол Ч , на входе 5 16 блока 8 появляется следующий импульс , сформированный блоком 7 по сигналу датчика 4. Этот импульс поступает на счетный вход блока 11 синхронизации и устанавливаетч его JO в состояние, соответствующее первой фазовой отметке, сигнализирукщей о повороте коленчатого вала на угол , Состояние блока 8 не изменяется до появления следующего задержанного импульса датчика 3 на входе 15.

Таким образом, за один оборот коленчатого вала первый из сформированных блоком 7 импульсов по сигналу датчика 4 после появления задержан- . 20 ного импульса датчика 3 поступает на установочный вход блока 11, а остальные сформированные импульсы поступают на счетньй вход блока 1I и последовательно изменяют его состояние. 5 При этом переход блока 1I в следующее состояние соответствует повороту коленчатого вала на угол j по отношению к моменту появления импульса на установочном входе блока 11, 0 где j порядковый номер импульса на его счетном входе.

На выход блока 1 и соответственно на управлякнций вход измерительного блока Л поступают сигналы в моменты изменения состояния блока I1, выбранные по заранее заданной блоку 11 программе.

Импул-ьсы с выхода 13 блока 8 одновременно поступает на вход элемента 17 задержки, на выходе которого через интервал времени cj, определяемый элементом 17, формируется импульс. Этот импульс поступает на один из входов фазового дискриминатора 12, на другой вход которого поступает импульс с выхода элемента 18 задержки, сформированный по сигт налам указателя 10 момента экстремума. На вход указателя 10 поступает Q через усилитель 9 сигнал с датчика 2 давления, пропорциональньй давление газов в опорном цилиндре двигателя. Указатель 10 начинает анализировать входной сигнал после превыj шения последним некоторого наперед заданного уровня. При этом любой сигнал помехи, который появляется на фронте сигнала датчика 2 в виде ко9лебания, размах которого,превьшает порог чувствительности указателя 10 вызывает орабатьшание последнего до момента появления максимума давления. Таким образом, на выходе указа теля 10 формируется за один цикл работы двигателя серия импульсов, последний из которых соответствует максимуму входного сигнала. После снижения сигнала давления до некоторого, наперед заданного уровня указателя 10, автоматически обнуляется. Описанный вьше процесс формирования серии импульсов повторяется вновь при достижении сигналом давления наперед заданного ypoB ня. При поступлении первого импульса серии на вход элемента 18 задерж ки последний запускается. Длительность задержки элемента 18 равна длительности f. задержки элемента 17 и выбрана таким образом, чтобы выполнялось неравенство t Г, ; где Сф длительность фронта сигнала давления, определяемая,промежутком времени от момента достижения этим сигналом некоторого наперед заданного уровня до момента достижения максимального значения, а t проме жуток времени, за который вал двигателя повернется на 180°, При выполнении этого неравенства очередной импульс серии, поступающей на вход элемента 18, осуществляет его повторный запуск до того, как на его выходе начнет формироваться задержанный импульс. При появлении по следнего импульса серии, т.е. импул са фронт которого совпадает с момен том максимут а сигнала датчика 2, вновь осуществляется запуск элемента 18 и через интервал времени f на его выходе сформируется импульс, который поступит на вход фазового дискриминатора 12. В следующем цикл работы двигателя процесс формирования импульса на выходе элемента 18 задержки повторится. Таким образом, на одном из входо фазового дискриминатора 12 формируется в каждом цикле работы двигателя импульс, задержанный на время t относительно момента достижения мак симума сигналом датчика 2 давления На другом входе фазового дискримина тора 12 формируется импульс, задержанный на время t относительно импульса, принятого за начало отсчета фаз. Поскольку время задерласи элементов 17 и 18 выбрано равными, то разность фаз импульсов на входах фазового дискриминатора равна по модулю и совпадает по знаку с разностью фаз между импульсом начала отсчета фаз на выходе П блока В и импульсом максимума, совпадающим с моментом максимума сигнала давления и сформированном на выходе указателя.10. Такий образом, если импульс на выходе 3 отстает по фазе от импульса максимума на выходе указателя 10, то фазовьм дискриминатор 12индицирует на своем индикаторе -сигнал Отставание. Если импульс на выходе 13 опережает по фазе импульс максимума на выходе указателя 10, то фазовый дискриминатор 12 индицирует сигнал Опережение, При совпадении импульсов по фазе индицируется сигнал Синфазность. Перед началом процесса контроля параметров двигателя подача топлива в опорный цилиндр отключается , В этом случае появления макси№/ма давления и следовательно, момент пояБления импульса, соответстзутощего максимуму давления., на выходе указателя 10 соответствует моменту в.кит. поршня опорного цилиндра. Если ф + f,.o,5,тo импульс на выходе 13 блока 8 опережает по фаза импульс максимума указателя 0 и фазовый дискрИ1«1инатор 12 индицирует сигнал Опережение, Оператор изменяет параметр 4 7 фазовращателей в сторону его увеличения. В момент ф+4, Чов импульс на выходе 13блока 6 совпадает по фазе с импульсом максимума указателя 10, и фазовый дискриминатор 12 индицирует сигнал Синфазность. Если + Ч, , то импульс на выходе 13 блока 8 отстает по фазе от импульса максимума указателя 10, и фазовый дискриминатор 12 индицирует сигнал Отставание. Оператор добивается получения сигнала Синфазность, уменьшая параметр Чф блока 7 фазовращателя. Таким образом, после получения сигнала Синфазиость фаза появления импульса на выходе 13 блшка 8, а следовательно, и на установочном входе блока 1 1 , совпадлет с истинII

ным моментом в.м.т. поршня опорного цилиндра.

После этого включается подача топлива в опорный цилиндр, и начинается процесс измерения параметров двигателя по сигналам, поступающим на управляющий вход измеритель,ного блока I с выхода блока П синхронизации. Эти сигналы возникают в заданные моменты j , поворота коленчатого вала относительно в.м.т. порш ня опорного цилиндра.

При использовании дополнительных входов элементов 17 и 18 на эти входы поступают импульсы с выхода 14 блока 8 с периодом, соответствующим постоянному и равному Ц, значению угла поворота коленчатого вала. Соответственно элементы 17 и 18 формируют задержки , где Ny код предустановки счетчика элемента задержки и, следовательно, значение 4 не зависит от частоты вращения вала двигателя.

Блок 7 фазовращателей работает следующим о бр аз ом.

Импульсы с выхода формирователя 5 поступают на вход третьего элемента 20 задержки, являкмцийся входом предустановки его счетчика. На дополнительный вход третьего элемента 20 задержки и на второй выход блока 7 поступают импульсы с выхода умножителя 19, йа вход которого поступак т импульсы 1 датчика 4 угловых положений, сформированные формирователем 6. Третий элемент 20

. работает аналогично элементам 17 и 18 и обеспечивает сдвиг импульсов р атчика 3 опорного положения по фазе на величину t, значение которой изменяется оператором путем измене;ния кода предустановки счетчика эле 1ента 20.задержки.

868412

Коэффициент умножения К умножителя выбирается из соображения обеспечения необходимой точности выполнения фазового сдвига первым, вторым 5 и третьим элементами 17, 18 и 20 задержки.

Введение элементов задержки, один из которых включен между первым выходом блока селекции и одним из входов фазового дискриминатора, а другой между выходом указателя момента экстремума и другим входом фазового дискриминатора, выгодно отличает предлагаемое устройство от . известного, поскольку позволяет устранить влияние ложных срабатываний указателя момента экстремума, возникающих из-за помех, наложенных на сигнал датчика давления, тем самым уменьщить число повторных регулиро:вок при устранении фазового сдвига между моментом в.м.т. и начальной отметкой датчика угловых положений, повысить достоверность результатов измерений и, как следствие, упростить процесс и повысить надежность контроля .

Снабжение элементов задержки дополнительными входами и подк;вочение

0 их к второму выходу блока селекции импульсов, позволяет сделать величину задержек независимой оТ частоты вращения вала двигателя и тем самьм расширить область применения устройства. Выполиение блока фазовращателей в виде элемента задержки и умножителя частоты позволяет снизить требования к разрешающей способности датчика угловых положений,

0 обеспечив одновременно требуемую дискрезгиость регулировки фазового сдви. га и, следовательно, повысить Точность формирования задержек введенными элементами задержки, и расширить область примеиенкя устройства.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КШТРОЛЯ ;ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее измерительный блок, датчики давления опорного и угловых положений, первый и второй формирователи импульсов, блок фазовращателей, блок селекции импульсов, усилитель, указатель момента экстре,мума, блок синхронизации и фазовый дискриминатор, причем один из изме:рительных входов измерительного блока соединен с выходом датчика давления через усилитель и непосредственно с входом указателя момента экстремума, управляющий вход измерительного блока соединен с выходом блока синхронизации, установочный и счетный входы которого соединены соответственно с первым и вторьм выходами блока селекции импульсов, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока фазовращателей, первый и второй входы которого соединены с выходами датчиков опорного и угловых положений соответственно через первьй и второй формирователи импульсов, отличающееся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности контроля, снабжено первым и вторым элементами задержки, причем первый элемент задержки включен между первым выходом блока селекции импульсов и первым входом фазового дискриминатора, а второй элемент задержки - между выходом указателя момента экстремума и вторым входом фазового дискриминатора. (Л 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элементы задержки снабжены дополнительными входаьш, причем указанные входы подключены к второму выходу блока селекции импульсов. оо 3.Устройство по пп. 1 и 2, от00 Од личающееся тем, что блок фазовращателей содержит умножитель 00 частоты и третий элемент задержки, выход которого служит первым выходом, а вход- первым входом блока фазовращателей, .дополнительный вход третьего элемента задержки и второй ; выхбд блока фазовращателей подключены к выходу умножителя частоты, вход которого служит вторым входом блока фазовращателей.