Устройство для оценки детонации в двигателе внутреннего сгорания Советский патент 1988 года по МПК G01M15/00 

оо |

Изобретение относится к машнно- строеиню и может быть использовано для оценки детонации при испытаниях двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения - повьииение точности оценки детонации.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - осциллограммы сиг)алов на входе усилителя пере- манного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи (а); на выходе усилителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи (б); на йходах схемы сравнения (в); на выхо- iie схемы сравнения соответственно на йалых и больших частотах вращения Коленчатого вал а (г); на фиг. 3 - схема сумматора-вычитателя: на фиг.4 то же, вариант; на фиг. 5 - схема детектора амплитудных значений сигнала; на фиг. 6 - схема усилителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи.

Устройство (фиг. 1) содержит вклю ченные последовательно датчик 1 вибрации, блок 2 нормализации амплитуды йеременнога сигнала, выполнеиньй в Виде усилителя 3 переменного сигнала с изменяемьм коэффициентом передачи, подкл5оченного к датчику вибрации и последовательно связанного с детекто ром 4 амплитудного значения сигнала, нтегрирующим усилителем 5 сигнала рассогласования и источника 6 зкецйя управления амплитудой переменного сигнала, подключенного к второму входу интегрирующего усилителя 5, :зыход которого подключен к другому иходу усилителя 3, к выходу последне го подключен вход детектора 7, выход которого подключен к схеме 8 выделения среднего уровня сигнала, и атте- нюатор 9, связанный со схемой 10 выделения амплитуды сигнала, подключен ной совместно со схемой 8 выделения И источником 11 напряжения управлени величиной разности сигналов к трем входам сумматора-вычитателя 12. Выходы сумматора-вычитателя 12 и схемы 8 выделения подключены к входам схемы сравнения 13.

Датчик 1 вибраций, в первом случа может представлять собой датчик вибраций резонансного типа, резонансная частота которого соответствует час- тоте вибраций двигателя при детонации, а во втором случае может состоять из широкополосного датчика виб

Q j 0

5 g

5

5

раций и полосового , резонансная частота которого соответствует частоте вибраций двигателя при детонации.

Устройство работает следующим об-, разом.

При отсутствии детонации двигателя внутреннего сгорания электрический сигнал с датчика 1, вибраций, называемый фоновым шумом и представляющий собой повторяющуюся каждый оборот коленчатого вала двигателя последовательность импульсов с частотой заполнения, соответствующей частоте вибраций двигателя при детонации и имеющих разную амплитуду, длительность и форму поступает на вход блока 2 нормализации амплитуды переменного сигнала, причем с изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя амплитуда и частота следования импульсов изменяются независимо и по произвольному закону, форма импульсов не меняется, а длительность увеличивается пропорционально увеличению амплитуды импульсов. Блок 2 нормализации амплитуды переменного сигнала осуществляет обработку сигнала по амплитуде. Детектор 4 амплитудных значений сигнала выдает сигнал, про- порциональньй наибольшим значениям амплитуды импульсов фонового шума, поступаемого с усилителем 3 переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи. Время хранения амплитудного значения сигнала выбрано таким, чтобы влияние изменения частоты следования импульсов фонового шума при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя от минимального до максимального значений на выходной сигнал детектора 4 амцлитуд- ных значений сигнала было допустимым для обеспечения требуемой точности определения уровня детонации. Интегрирующий усилитель 5 сигнала рассогласования .сравнивает сигнал с детектора 4 амплитудного значения сигнала с напряжением постоянного тока, поступаемого с источника 6 напряжения управления амплитудой переменного сигнала, интегрирует получающийся сигнал рассогласования и управляет усилением усилителя 3 переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи таким образом, чтобы сигнал рассогласЬвания был возможно меньшим. В результате сигнл на выходе блока 2

нормализации амплитуды переменного сигнала нормализован по амплитуде в зависимости от наибольших значений амплитуды импульсов фонового шума. Амплитуда импульсов в нормализованном сигнале зависит от величины напряжения постоянного тока, поступающего с источника 6 напряжения управления амплитудой переменного сигнала

Нормализованный по амплитуде сигнал выпрямляется детектором 7 и одновременно поступает в схему 8 выделения среднего уровня, а через аттенюатор 9 - в схему 10 выделения амплиту- ды сигнала.

Схема 8 выделения среднего уровня сигнала выдает средневыпрямленное значение нормализованного по амплитуде сигнала, которое одновременно поступает на первый вход схемы сравнения 13 и на первый суммирующий вход сумматора-вычитателя 12.

Ослабленный аттенюатором 9 выпрямляемый нормализованньй по амплитуде сигнал фильтруется схемой 10 выделения амплитуды сигнала, в результате чего на выходе получается ослабленная огибающая данного сигнала, которая

0

5

коэф1)ициент усиления равен единице для напряжения постоянного тока. Таким образом установленная разность между сигналами на входе схемы 13 сравнения остается неизменной.

Ввиду того, что сигнал с выхода сумматора-вычитателя 12 не превышает средневыпрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, то на выходе схемы 13 сравнения отсутст - вует сигнал, указывающий на наличие детонации двигателя внутреннего сгорания.

IlfJft наличии детонации двигателя с датчика вибраций 1 на вход блока 2 нормализации амплитуды переменного сигнала поступает электрический сигнал, аналогичный фоновому шуму, но отличающийся тем, что в последовательности импульсов, выделенных из оборотов коленчатого вала двигателя, появляется импульс, амплитуда которого в определенное число раз больше ампли- 5 туды фонового шума (фиг. 2а). Блок 2 нормализации амплитуды переменного сигнала осуществляет нормализацию входного сигнала по амплитуде и на его выходе появляется сигнал, изобра

Изобретение позволяет повысить точность оценки детонации. Устр-во содержит датчик 1 вибрации, блок 2 нормализации, усилители 3,5, детектор 4, источник 6 напряжения, детектор 7, схему 8 вьщеления среднего уровня сигнала, аттенюатор 9, схему 10 выделения амплитуды сигнала, источник 11 напряжения управления величиной разности сигналов, сумматор-выг /. г читатель 12, схему 13 сравнения. При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя происходит изменение средневыпрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, которое вызьшает равное по величине изменение сигнала на выходе сум- матора-вычитателя 12, т.к. его коэффициент усиления равен 1 для напряжения постоянного тока. Т.обр. установленная разность между сигналами на входе схемы сравнения остается неизменной. Ввиду того, что сигнал с выхода сумматора-вычитателя.12 не превышает средневьтрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, то на выходе схемы 13 отсутствует сигнал, указывающий на наличие детонации двигателя внутренне го сгорания. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. S (Л

поступает на второй суммирующий вход зо женный на фиг. 26.

35

сумматора-вычитателя 12. На вычитающий вход сумматора-вычитателя 12 поступает напряжение постоянного тока с источника 11 напряжения управления величиной разности сигналов.

Сумматор-вычитатель 12, имеющий коэффициент усиления напряжения постоянного тока равным единице, осуществляет суммирование средневьшрямлен- ного значения нормализованного по ам- 40 плитуде сигнала с амплитудным изменением сигнала (ослабленной огибающей нормализованного по амплитуде сигнала) и вычитание напряжения постоянного тока, величина которого устанав- 45 ствует сигнал, изображенный на ливается в зависимости от требуемой фиг. 2в. разности, соответствующей определённому уровню детонации двигателя, между средневыпрямленным значением нормализованного по амплитуде сигнала и выходным сигналом сумматора-вычитателя 12.

При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя происходит изменение средневьтрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, которое вызывает равное по величине изменение сигнала на выходе сумматора-вычитгзтеля 12, так как его

50

55

Для исключения влияния ампли импульса при детонации на ампли импульсов фонового шума в норма ванном по амплитуде сигнале посто времени интегрирующего усилител сигнала рассогласования значите больше, чем время разряда запом щей емкости в детекторе 4 ампли значений сигнала.

Далее нормализованньй по амп сигнал обрабатывается аналогич образом как в случае отсутствия детонации двигателя и в результ на входах схемы 13 сравнения пр

Когда сигнал с выхода суммат вычитателя 12 достигает по уро сигнал с выхода схемы 8 выделе среднего уровня сигнала, на вых схемы сравнения 13 появляется п пад напряжения, изображенный н фиг. 2г, указывающий на наличи деленного уровня детонации дви

Учитывая, что определенному ню детонации двигателя соответс вует конкретное значение отноше амплитуды импульса при детонаци амплитудам импульсов фонового ш

35

40 45 ствует сигнал, изображенный на фиг. 2в.

Для исключения влияния амплитуды импульса при детонации на амплитуду импульсов фонового шума в нормализованном по амплитуде сигнале постоянная времени интегрирующего усилителя 3 сигнала рассогласования значительно больше, чем время разряда запоминающей емкости в детекторе 4 амплитудных значений сигнала.

Далее нормализованньй по амплитуд сигнал обрабатывается аналогичным образом как в случае отсутствия детонации двигателя и в результате на входах схемы 13 сравнения присутствует сигнал, изображенный на фиг. 2в.

Когда сигнал с выхода сумматора- вычитателя 12 достигает по уровню сигнал с выхода схемы 8 выделения среднего уровня сигнала, на выходе схемы сравнения 13 появляется перепад напряжения, изображенный на фиг. 2г, указывающий на наличие определенного уровня детонации двигателя.

Учитывая, что определенному уровню детонации двигателя соответствует конкретное значение отношения амплитуды импульса при детонации к амплитудам импульсов фонового шума и

что данное значение отношения постоянно при изменении частоты вращения коленчатог о вгала двит ателя, определение уровня деторгацин при известном , до:я конкретного типа двигателя значении отношения амплитуд импульсов осуществляется путем по, :;ачи соответ- вующего значения напряжения постоянного тока на вычитающий вход cyhmaTo- Ю ра-вычитателя 12 с источника шпряже- ния управления величиной разности сигналов И, обеспечивая этимиеобхо-- димую величину разности сигналов на входах схемы 13 сравнения. Выбор ве- jj личины напряжения постоянного тока и., необходимого для обеспечения требуемой разности сигналов на входе схемы 13 сравнения, осуществляется

13977776

датчика 1 вибраций изображен вш фиг. 3.

Операционный усилитель 14 с резисторами 15 - 18 конденсаторами 19 и 20 и полевым транзистором 21 составляют усилитель 3 (фиг. 1) переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи, коэфс ициент передачи которого для переменного сигнала изменяется, за счет использования на входе управляемого делителя, состоящего из резистора 17, конденсатора 20 и полевого транзистора 21, Сопротивление канала полевого транзистора 21 изменяется под воздействием управляющего напряжения, поступающего на затвор. Постоянный, коэффициент усилителя переменного сигнала соответствует отношению

из выражения ,, /К, где К - зна- 20 сопротивления резистора 16 к сопро30

чения отношении амплитуд импульса при детонации к амплитудам импульсов фонового шума, соответствующее конкретным уровням детонации; величина напряжения постоянного тока, кото- 25 рое необходимо подать на вычитающий вход сумматора-вычитателя 12 при отсутствии детонации двигателя, чтобы вызвать начальное срабатывание схемы 13 сравнения, аналогичное случаю наличия детонации.

Так как уровни детонации двигателя располагаются в возрастающем порядке, т.е. от малого к большому, и малому уровню детонации соответствует малое значение амплитуд импульсов, большему уровню детонации - большее значение отношения амплитуд импульсов, то схема 13 сравнения срабатывает на тот уровень детонации, которому соответствует р азность сигналов на ее входе, а т.акже на все последующие

35

40

тивлению резистора 15 при условии, что емкостное сопротивление конденсатора 19 много меньше сопротивления резистора 15.

Резистор 18 является сопротивлением нагрузки для.входного сигнала. Через него также поступает напряжени смещения нулевого уровня, формируемо го резистивным делителем, состоящая из резисторов 22 и 23, при использов нии однополярного питания всего устройства. Конденсатор 24 является фильтрующим.

Выход операционного усилителя 14 одновременно соединен с положитель- нь1м входом операционного усилителя 2 который совместно с диодом 26 состав ляет детектор 7 (фиг. 1), и положительным входом операционного усилите ля 27, образующего совместно с диодо 28, конденсатором 29 и резистором 30 детектор 4 (фиг. 1) амплитудного зна чения сигнала. Время хранения амплитудного значения сигнала определяетс величиной емкости конденсатора 29 и его током разряда через резисторы 30 и 31.

Уровни детонации в рядке.

возрастающем по

,В случае определения неизвестного уровня детонации необходимо последовательно изменять напряжение постоянного тока на вычитающем входе сумматора-вычитателя 12 до начального срабатывания схемы 13 сравнения. По зна чен1ш отношения напряжения и„ к напряжению , при котором сработала схема 13 сравнения, определяется конкретный уровень детонации двигателя.

Один из возможных вариантов схем- ной реализацда устройства для обнаружения и определения уровня детонации двигателя внутреннего сгорания без

30

25

,

35

40

45

50

55 тивлению резистора 15 при условии, что емкостное сопротивление конденсатора 19 много меньше сопротивления резистора 15.

Резистор 18 является сопротивлением нагрузки для.входного сигнала. Через него также поступает напряжение смещения нулевого уровня, формируемого резистивным делителем, состоящая из резисторов 22 и 23, при использовании однополярного питания всего устройства. Конденсатор 24 является фильтрующим.

Выход операционного усилителя 14 одновременно соединен с положитель- нь1м входом операционного усилителя 25, который совместно с диодом 26 составляет детектор 7 (фиг. 1), и положительным входом операционного усилителя 27, образующего совместно с диодом 28, конденсатором 29 и резистором 30 детектор 4 (фиг. 1) амплитудного значения сигнала. Время хранения амплитудного значения сигнала определяется величиной емкости конденсатора 29 и его током разряда через резисторы 30 и 31.

Резистор 31, конденсатор 32 и операционный усилитель 33 образуют интегрирующий усилитель 5 (фиг. 1) сигнала рассогласования, постоянная времени которого значительно больше времени разряда конденсатора 29. На положительный вход операционного усилителя 33 поступает напряжение постоянного тока с регулируемого резистивног о делителя, состоящего из резисторов 34 и 35 и образующие совместно с конденсатором 36 источник 6 (фиг. 1) напряжения управления амплитудой переменного сигнала. Выход операционного усилителя 33 соединен с затвором полевого транзистора 21.

При увеличении амплитуды сигнала на выходе операционного усилителя 14 увеличивается напряжение на конденсаторе 29, которое сравнивается с напряжением постоянного тока, присутствующим на положительном входе операционного усилителя 33 и определяющее амплитуду нормализованного по амплитуде сигнала. В результате сравнения вырабатывается сигнал рассогла- сования. Имеющий положительное приращение, который при интегрировании вызывает уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя 33. Так как напряжение на выходе операцион- ного усилителя 33 может изменяться от напряжения насыщения до нуля, то дпй эффективного изменения коэффициента передачи усилителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом 3 передачи (фиг. 1) напряжение отсечки полевого транзистора 21 должно быть не больше напряжения насыщения операционного усилителя 33. Уменьщение напряжения на затворе вызывает уменьшение сопротивления канала сток-исток полевого -транзистора 21 и на вход операционного усилителя 14 поступает меньший по амплитуде сигнал.

При уменьшении амплитуды сигнала на выходе операционного усилителя 14 сигнал рассогласования имеет отрицательное приращение, что вызывает увеличение напряжения на затворе по левого транзистора 21 и соответственно увеличение сопротивления канала сток-исток и увеличение амплитуды сигнала на входе операционного усилителя 14.

К точке соединения отрицательного входа операционного усилителя 25 и катода диода 26 подключены резистор 37, являющийся аттенюатором 9 (фиг.1) и резистор 38, который совместно с конденсатором 39 образует схему 8 (фиг, 1) выделения среднего уровня сигнала. К резистору.37 подключены конденсатор 40 и резистор 41, составляющие схему 10 (фиг. 1) выделения амплитудного изменения сигнала. Сопротивление каждого из резисторов 38, 37 41- выбрано таким, что на конденсатор 39, емкость которого значительно больше емкости конденсатора 40, фоо

Q j 0 5 п

0 5

0

мируется средневыпрямленное значение сигнала, а на конденсаторе 40 - амплитудное изменение сигнала (огибающая) .

Операционный усилитель 42, резисторы 43 - 47 и конденсаторы 48 и 49 образуют сумматор-вычитатель 12 (фиг. 1), резистивный суммируюш й вход которого подключен к конденсатору 39, емкостной суммирующий вход - к конденсатору 40, а вычитающий вход к резистивному делителю, состоящему из резисторов 50 и 51, которые сов- местйЬ с конденсатором 52 образуют источник 11 напряжения управления величиной разности сигналов (фиг,1). Так как коэффициент усиления суммато- ра-вычитателя 12 (фиг. 1) для напряжения постоянного тока должен быть равным единице, то резисторы 43, 44, 46 и 47 имеют одинаковое сопротивление. Коэффициент усиления переменного сигнала (амплитудного изменения сигнала) определяется отношением суммы сопротивлений резисторов 45 и 46 - к сопротивлению резистора 45 при условии, что сопротивление резистора 47 много больше сопротивления резистора 45, а емкостное сопротивление конденсатора 49 для переменного сигнала много меньше сопротивления резистора 45.

Схема 13 сравнения (фиг. 1) реализована на компараторе 53, отрицательный вход которого подключен к конденсатору 39, а положительный вход - к выходу операционного усилителя 42. Выход компаратора является выходным устройством.

Возможный вариант сумматора-вычи- тателя 12 (фиг. 1), обеспечивающего аналогичные параметры, изображен на фиг. 4. В данном случае операции сум мирования и вычитания выполняются в разных каскадах. Операционный усили тель 54 с резисторами 55 - 58 выполняет функции вычитателя, а операцион-- ный усилитель 59 с резисторами 60 - 62 и конденсаторами 63 и 64 - функции сумматора. Для обеспечения в данном варианте сумматора-вычитателя коэффициента усиления напряжения постоянного тока равным единице резисторы 55 - 58 имеют равное сопротивление, а сумматор дпя данного напряжения является повторителем. Усиление переменного сигналй (амплитудного изменения сигнала) осуществляется в сумматоре и определяется отношением суммы сопротивления резисторов 60 и 62 к сопротивлению резистора 60 при условии, что емкостное сопротивление кон- денсатора 63 для переменного сигнала много меньше сопротивления резистора 60. Включение данного варианта сумматора-вычитателя в схему, изображенную на фиг. З , осуществляется еледуюш;им образом: контакт 65 подключается к конденсатору 39, контакт 66 - к точке соединения резисторов 50 и 51 контакт 67 - к положительному входу компаратора 53, а контакт 68 - к точке соединения резисторов 37 и 41 и конденсатора 40.

Возможный вариант детектора амплитудного значения сигнала, обеспечивающего аналогичные параметры, изоб- ражен на фиг. 5. Операционный усилитель 69,. имеющий единичное усиление и включенный в общую цепь обратной связи операционного усилителя 70, предотвращает перегрузку операцион- ного усилителя 70, когда амплитуда входного сигнала меньше напряжения на конденсаторе 71. В этом случае диод 72 проводит и замыкает цепь обратной связи для операционного усилите- ля 70. Диод 73 является выпрямляюпщм. Время хранения амплитудного значения сигнала определяется величиной емкости конденсатора 71 и током его разряда через резистор 74, Включение данно го варианта детектора амплитудного значения сигнала в схему, изображенную на фиг. 3, осуществляется следующим образом: контакт 75 подключается к выходу операционного усилителя 14, контакт 76 - к точке соединения резисторов 2-2 и 23, контакт 77 - к ре- з истору 31..

Возможный вариант усилителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи, обеспечивающий аналогичные параметры, изображен на фиг. 6.

В данном варианте изменение коэффициента передачи переменного сигнала осуществляется за счет управления коэффициентом усиления операционного усилителя 78 с отрицательной обратной связью, цепь которой состоит из резистора 79, управляемого полевого транзистора 80 и конденсатора 81, предназначенного для исключения усиления напряжения постоянного тока.

0 5 Q Q

5

0

5

Для обеспечения обработки сигнала., амплитуда которого может быть больше сигнала на выходе .операционного усилителя 78, на входе используется ре- зистивный делитель, состоящий из резисторов 82 и 83 Соотношение резисторов выбирается исходя из максимального значения входного сигнала. Через резистор 83 также поступает напряжение смещения нулевого уровня.

Резистивный делитель, состоящий из резисторов 84 и -85 обеспечивает на истоке полевого транзистора 80 напряжение постоянного тока, которое равно напряжению отсечки данного полевого транзистора и наибольшему напряжению, подаваемому на затвор. Резистор 86 предназначен для ограничения прямого тока затвора полевого транзистора 80, когда напряжение на затворе больще напряжения на истоке. При увеличении амплитуды сигнала на выходе операционного усилителя 78, напряжение на затворе полевого транзистора 80 уменьшается. Под воздействием положительного напряжения на истоке полевой транзистор 80 начинает закрываться, увеличивая этим сопротивление канала .сток-исток. В результате коэффициент усиления операционного усилителя 78 уменьшается, При уменьшении амплитуды сигнала на выходе операционного усилителя 78 происходит обратный процесс управления коэффициентом усиления. В результате амплитуда сигнала на выходе операционного усилителя поддерживается на заданном уровне.

Включение данного варианта усили-- теля в схему, изображенную на фиг.З,, осуществляется следующим образом: контакт 87 подключается к точке соедин;;- ния резисторов 22 и 23, контакт 88 - к положительным входам операционных усилителей 25 и 27, контакт 89 - к выходу операционного усилителя 33, контакт 90 является входом.

Формулаизоб«ретения

и схему выделения амплитуды сигнала, последовательно подключенные к выходу детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности ycTpoftfcTBo дополнительно содержит блок нормализации амплитуды переменного сигнала, источник напряжения управления величиной разности сигналов и сумматор-вычитатель, причем блок нормализации амплитуды переменного сигнала включен между датчиком вибрации и детектором, первый вход сумматора-вычитатедя подключен к выходу схемы выделения среднего уровня сигналов, второй вход - к выходу схемы вьщеления амплитуды, сигнала, третий вход - к источнику напряжения управления величиной разности сигналов, а выход подключен к второму вхрду схемы сравнения.

tf,X

: t11

t

л

и. Шг8

и.18ш

t

Фи.

fPue.

75

2L О

76 о-

2 W

7J

7

5

Т

u,t

77 -о

fpue.f

fPae.ff