Способ оценки идентичности последовательных рабочих циклов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01M15/00 

ГО 00 ч|

Изобретение относится к испытаниям двигателей внутреннего сгорания, в частности к способам и устройствам оценки рабочих циклов двигателей, и может быть использовано для определения технического состояния ДВС.

Известен способ, заключающийся в том, что в каждом периоде изменения суммарного крутящего момента или цикле (далее период крутящего момента) измеряют характерные значения угловой скорости коленчатого вала, к которым относятся наибольшее максимальное и наименьшее минимальное значения, преобразовывают их и формируют два непрерывных сигнала, пропорциональных дисперсиям преобразованных значений. По.совокупности этих сигналов судят о состоянии двигателя. Такое выполнение способа позволяет учитывать высокочастотную межцикловую неидентичность циклов по совершаемой работе с учетом порядкового распределения циклов с различными показателями.

Известно устройство для выполнения такого способа.

Однако оценка по двухпараметрическо- му критерию делает непригодным его использование в адаптивных системах управления и при массовом объеме регулировок двигателей по границе устойчивой работы.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оценки идентичности последовательных рабочих циклов ДВС, заключающийся в том, что в каждом рабочем цикле двигателя измеряют несколько характерных значений текущей угловой скорости коленчатого вала при фиксировании моментов начала и конца каждой серии последовательных периодов изменения суммарного крутящего момента, составляющей рабочий цикл двигателя, и формируют непрерывный сигнал, пропорциональный статистическому показателю характерных значений текущей угловой скорости по полной серии последовательных рабочих циклов. В этом способе критерий степени неидентичности циклов и, следовательно, состояния двигателя представляет собой однопараметрический (непрерывный) сигнал, учитывающий и различие отдельных периодов крутящего момента по совершаемой работе и их порядковое распределение в пределах рабочего цикла двигателя.

Однако в известном способе непрерывный сигнал формируют пропорциональным отношению среднего значения разности наибольшего и наименьшего значений угловой скорости за полную рассматриваемую серию последовательных рабочих циклов

двигателя к среднему значению разности наибольшего максимального и наименьшего минимального значений в каждом периоде крутящего момента за ту же полную серию последовательных периодов. Такой критерий учитывает влияние порядкового распределения периодов крутящего момента с различными характеристиками протекания рабочего процесса только внутри

каждого отдельного рабочего цикла двигателя и, следовательно, характеризует межцикловую или высокочастотную неидентичность периодов крутящего момента, составляющих всю полную серию.

Однако для точной оценки закономерностей невоспроизводимости характеристик протекания рабочего процесса во всех последовательных периодах крутящего момента недостаточно количественно характеризовать этот параметр, учитывая только характеристики отдельных периодов за полную их серию без учета порядкового распределения периодов крутящего момента с различными показателями рабочего процесса внутри той же полной серии, так как оно существенно влияет на параметры работы двигателя.

Так, систематическое группирование отдельных периодов крутящего момента

или циклов двигателя внутри полной серии в последовательные группы с различной высокочастотной неидентичностью (низкочастотная неидентичность) без изменения этой неидентичности по всей полной серии

и, следовательно, без изменения экономических и токсических показателей работы двигателя может привести к неудовлетворительной работе двигателя, например по такому эксплуатационному свойству, как

устойчивость его работы, причем оценка этого показателя ведется традиционно субъективно по колебанию двигателя на подвеске или по колебанию стрелки динамометрических весов моторного испытательного стенда.

Поэтому известный способ отличает недостаточная объективность оценки степени неидентичности последовательных циклов двигателя внутреннего сгорания, что сужает

его возможности в определении состояния двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее последовательно

соединенные частотный датчик, преобразователь частоты в напряжение и селектор характерных значений текущей угловой скорости коленчатого вала по каждому рабочему циклу двигателя, а также датчик границ

периодов изменения суммарного крутящего

момента и датчик границ рабочих циклов двигателя, параллельно замкнутые на селектор характерных значений текущей угловой скорости, связанный через арифметическое устройство с устройством формирования непрерывного сигнала по полной серии рабочих циклов.

Такое выполнение устройства позволяет посредством датчиков границ периодов крутящего момента и границ рабочих цик- лов двигателя, включенных в связь с селектором характерных значений текущей угловой скорости, выбирать характерные значения угловой скорости внутри каждого рабочего цикла двигателя с учетом порядкового рас- пределения в его пределах и формировать один непрерывный сигнал, пропорциональный преобразованным характерным значениям, количественно оценивая только высокочастотную межцикловую неидентич- ность последовательных циклов, что приводит к недостаточной объективности оценки состояния двигателя.

Целью изобретения является повышение достоверности оценки идентичности последовательных рабочих циклов двигателя внутреннего сгорания при одновременном расширении возможности определения состояния двигателя.

Указанная цель достигается тем, что со- гласно способу оценки идентичности последовательных рабочих циклов двигателя внутреннего сгорания, заключающемуся в том, что запускают двигатель, фиксируют угловые положения коленчатого вала (к.в.), соответствующие началу и концу рабочего цикла в каждом цилиндре двигателя и периоду изменения крутящего момета двигателя, фиксируют положения к.в., соответствующие началу и концу полного рабочего цикла двигателя, в пределах каждого рабочего цикла отдельного цилиндра измеряют частоту вращения к.в., выделяют несколько характерных значений измеренного сигнала и формируют первый непре- рывный сигнал, пропорциональный статистическому параметру характерных значений частоты вращения, зафиксированных в пределах отдельных периодов изменения крутящего момета двигателя за серию периодов, составляющих серию последовательных полных циклов двигателя, и по величине формируемого сигнала оценивают высокочастотную составляющую неидентичности последовательных рабочих циклов, дополнительно формируют сигналы, устанавливающие периоды частичных выборок, каждая из которых включает не менее двух полных рабочих циклов двигателя и десяти периодов изменения крутящего

момента, в пределах каждого периода определяют количественный параметр высокочастотной составляющей неидентичности последовательных рабочих циклов и формируют второй непрерывный сигнал, пропорциональный дисперсии значений указанного количественного параметра по частичным выборкам внутри полной серии, используют его в качестве низкочастотной составляющей неидентичности последовательных рабочих циклов, а оценку неидентичности последовательных рабочих циклов производят по высокочастотной и низкочастотной составляющим.

При таком выполнении способа полная серия последовательных периодов крутящего момента или рабочих циклов двигателя разбивается на несколько одинаковых по объему выборок последовательных периодов, в каждой из них определяется количе- ственныйпараметрстепени

высокочастотной неидентичности и определяют их статистическую стабильность, т.е. низкочастотную неидентичность последовательных циклов, формируя непрерывный сигнал, пропорциональный дисперсии значений количественного критерия по частичным выборкам внутри полной серии. Масштаб конкретной низкочастотной неидентичности последовательных периодов крутящего момента определяется объемом последовательных частичных серий последовательных периодов, анализируемых внутри полной серии.

Колебания двигателя на подвеске происходят вследствие постоянно меняющегося значения суммарного крутящего момента на валу двигателя, Однако из-за низкой собственной частоты колебания колебательных систем двигатель-подвеска или стрелочно- указательного механизма эти системы не успевают в достаточной степени реагировать на внутрипериодные изменения крутящего момента. Они начинают реагировать только на низкочастотные изменения среднего за период крутящего момента. Это изменение является, в свою очередь, следствием низкочастотной неидентичности последовательных рабочих циклов или периодов крутящего момента. Следовательно, на установившемся режиме работы двигателя при некоторой степени высокочастотной неидентичности периодов крутящего момента и при отсутствии низкочастотной неидентичности двигатель будет работать устойчиво при оценке по колебанию двигателя на подвеске и стрелки динамометрических весов. Вместе с тем, при меньшей степени высокочастотной неидентичности периодов крутящего момента на

этом же режиме, но при резонансной низкочастотной неидентичности, частота изменения которой совпадает с собственной частотой колебания двигателя на подвеске, двигатель будет значительно колебаться на подвеске, однако при этом иметь лучшие экономические и токсические показатели.

Кроме того, начало разгона автомобиля при открытии дроссельной заслонки в момент повышенной высокочастотной неидентичности последовательных периодов крутящего момента может совпровождать- ся провалами и дерганием автомобиля, что также значительно ухудшает его эксплуатационные свойства.

Таким образом, низкочастотная неидентичность последовательных периодов крутящего момента является чрезвычайно важной особенностью двигателя внутреннего сгорания, влияющей на его эксплуатационные свойства и требующей количественной оценки и изучения причин, ее вызывающих, в каждом конкретном случае. Поэтому при осуществлении способа полную серию последовательных периодов крутящего момента разбивают на несколько одинаковых частичных выборок с количеством периодов крутящего момента в каждой из них в зависимости от скоростного режима работы двигателя (масштаб низкочастотной неидентичности), обеспечивающим частоту следования частичных выборок, соответствующую резонансным гармоническим составляющим изменения возмущающего момента известной для данного типа двигателя собственной частоты колебания системы двигатель-подвеска.

Следовательно, осуществляемая при выполнении предлагаемого способа количественная характеристика высокочастотной неидентичности последовательных периодов крутящего момента за полную их серию и разномасштабной низкочастотной неидентичности известных резонансных масштабов за эту же полную серию последовательных периодов позволит значительно повысить объективность оценки и расширить возможности определения состояния двигателя.

Устройство для осуществления способа, содержащее последовательно соединенные частотный датчик и преобразователь частота-напряжение, первый блок выборки сигналов с тремя входами, датчик границ периодов изменения крутящего момента, выполненный в виде датчика положений ВМТ каждого цилиндра, и датчик границ рабочих циклов двигателя, выполненный в виде датчика положения ВМТ заданного цилиндра, выход датчика границ периодов изменения крутящего момента подключен к второму входу первого блока выборки сигналов, выход первого блока выборки через

первый вычислительный блок связан с первым блоком формирования, дополнительно снабжено задатчиком границ частичных выборок в виде блока формирования сигналов с заданным периодом следования, вторым

блоком выборки с двумя входами, вторым вычислительным блоком с тремя входами, вторым и третьим блоками формирования непрерывного сигнала, датчик границ рабочих циклов выполнен в виде датчика ВМТ

заданного цилиндра и снабжен вторым выходом, датчик границ периодов изменения крутящего момента снабжен вторым и третьим выходами, первый вычислительный блок снабжен вторым входом, подключенным к второму выходу датчика границ периодов изменения крутящего момента, третий выход которого подключен к первому входу второго вычислительного блока, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу второго блока выборки и первому выходу датчика границ рабочих циклов, второй выход последнего подключен к третьему входу первого блока выборки сигналов, выход первого блока выборки

подключен дополнительно к первому входу второго блока выборки, второй вход которого соединен с выходом задатчика границ частичных выборок, а выход второго вычислительного блока связан с последовательно

соединенными вторым и третьим блоками формирования непрерывных сигналов.

На фиг. 1 приведен участок осцилограм- мы изменения текущей угловой скорости вращения коленчатого вала с обозначенными некоторыми характерными значениями и примером обозначения границ частичной выборки последовательных периодов изменения суммарного крутящего момента; на фиг. 2 - участок осциллограммы изменения

текущей угловой скорости вращения коленчатого вала с примером обозначения границ частичных выборок последовательных периодов крутящего момента с различной высокочастотной неидентичностью; на фиг. 3 блок-схема устройства для осуществления способа.

На фиг. 1 и 2 обозначены: а - переменная составляющая текущей угловой скоро- сти вращения коленчатого

вала двигателя; б - импульсы датчика границ периодов изменения суммарного крутящего м о м е н т а ; в - импульсы датчиков границ рабочих циклов двигател.я;

г - импульсы задатчика границ рабочих частичных выборок; atmax.i - наибольшие максимальные значения текущей угловой скорости за период крутящего момента; ftbin.i - наименьшие минимальные значения текущей угловой скорости за период крутящего момента; анр. - значения текущей угловой скорости на границах рабочего цикла двигателя; К - критерий высокочастотной составляющей неидентичности последовательных рабочих циклов, выбранный в качестве примера для иллюстрации способа; зоны А, Б, В - последовательные частичные выборки последовательных периодов крутящего момента внутри полной серии; 1,2,3 - номера последовательных рабочих циклов двигателя; I - исходная граница первой частной выборки.

Устройство для осуществления способа испытания содержит зубчатый элемент 1, жестко закрепленный на валу двигателя, частотный датчик 2, соединенный с входом преобразователя 3 частота-напряжение, выход которого соединен с входом первого блока 4 выборки сигналов, датчик 5 границ периодов изменения крутящего момента и датчик 6 границ рабочих циклов двигателя, выходы которых соединены с управляющими входами первого блока 4 выборки сигналов и первого вычислительного блока 7, вход которого соединен с выходом первого блока 4 выборки сигналов, а выход - с входом первого блока 8 формирования первого непрерывного сигнала, пропорционального статистическому параметру характерных значений по полной серии рабочих циклов, второй блок 9 выборки сигналов, информационный вход которого соединен с выходом первого блока 5 выборки сигналов, а управляющий вход - с задатчиком 10 границ частичных выборок, второй вычислительный блок 1.1, информационный вход которого соединен с выходом второго блока 9 выборки сигналов по частичным выборкам, управляющие входы - с выходом датчика 5 границ периодов изменения крутящего момента и датчика 6 границ рабочих циклов двигателя, а выход-с входом второго блока 12 формирования дополнительных непрерывных сигналов, пропорциональных статистическому параметру характерных значений по частичным выборкам, соединенным, в свою очередь, с входом третьего блока 13 формирования непрерывного сигнала по дисперсии дополнительных непрерывных сигналов.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом,

При вращении коленчатого вала двигателя зубчатым элементом в частотном датчике 2 наводятся импульсы напряжения, частота следования которых пропорцио- нальна текущему значению угловой скорости вращения. С выхода частотного датчика

2импульсы поступают на преобразователь

3частота-напряжение, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное текущему значению угловой скорости вращения коленчатого вала, и далее на первый блок 5 выборки сигналов. На управляющие входы первого блока 4 выборки сигналов поступают импульсы с датчика 5

границ периодов изменения крутящего момента и датчика 6 границ рабочих циклов двигателя. Это позволяет в каждом отдельном периоде крутящего момента и в каждом рабочем цикле двигателя определять характерные значения текущей угловой скорости, подавать их на соответствующий первый вычислительный блок 7, выполняющий необходимые вычислительные операции для формирования блоком 8 непрерывного сигнала, пропорционального статическому параметру характерных значений по полной серии периодов крутящего момента. Одновременно с первого блока 4 выборки сигналов выделенные характерные значения

текущей угловой скорости поступают на второй блок 9 выборки сигналов характерных значений текущей угловой скорости по частичным выборкам. Задатчик 10 границ частичных выборок отмечает границы,включая

исходную границу первой частичной выборки, в качестве которой принимается рабочий цикл двигателя в полной серии, с которого начинается первая группа рабочих циклов двигателя с близкими характеристиками

протекания рабочего процесса, и, тем самым, выделяет частичные выборки последовательных периодов крутящего момента, каждая из которых включает такое количество периодов, что на данном режиме частота

следования выборок совпадает с известной для данного типа двигателя анализируемой резонансной гармонической составляющей собственной частоты колебательной системы двигатель-подвеска, и внутри которых

посредством второго вычислительного блока 11 и блока 12 формируются дополнительныенепрерывныесигналы, пропорциональные статическому параметру характерных значений текущей угловой

скорости по частичным выборкам. Дополнительные непрерывные сигналы поступают на третий блок 13 формирования непрерывного сигнала, пропорционального дисперсии дополнительных непрерывных сигналов

по частичным выборкам, что позволяет одновременно оценивать не только высокочастотную, но и низкочастотную резонансную составляющую неидентичности последовательных периодов крутящего момента. При этом оценка технического состояния двигателя производится по совокупности двух не- прерывных сигналов, формируемых устройством для осуществления способа.

Таким образом, способ и устройство позволяют повысить достоверность оценки идентичности последовательных рабочих циклов ДВС и тем самым обеспечивают более точную оценку его технического состояния.

Формула изобретения 1. Способ оценки идентичности последовательных рабочих циклов двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что запускают двигатель, фиксируют угловые положения коленчатого вала, соответствующие началу и концу рабочего цикла в каждом цилиндре двигателя и периоду изменения крутящего момента двигателя, фиксируют положения коленчатого вала, соответствующие началу и концу полного рабочего цикла двигателя, в пределах каждого рабочего цикла отдельного цилиндра измеряют частоту вращения коленчатого вала, выделяют несколько харктерных значений измеренного сигнала и формируют первый непрерывный сигнал, пропорциональный статистическому параметру характерных значений частоты вращения, зафиксированных в пределах отдельных периодов изменения крутящего момента двигателя за серию периодов, составляющих серию последовательных полных циклов двигателя, и по величине формируемого сигнала оценивают высокочастотную составляющую неидентичности последовательных рабочих циклов, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки, дополнительно формируют сигналы, устанавливающие периоды частичных выборок, каждая из которых включает не менее двух полных рабочих циклов двигателя и десяти периодов изменения крутящего момента, в пределах каждого периода определяют количественный параметр высокочастотной составляющей неидентичности последовательных рабочих циклов и формируют второйнепрерывныйсигнал, пропорциональный дисперсии значений указанного количественного параметра по частичным выборкам внутри полной серии, используют его в качестве низкочастотной

составляющей неидентичности последовательных рабочих циклов, а оценку неидентичности последовательных рабочих циклов производят по высокочастотной и низкочастотной составляющим.

2. Устройство для оценки идентичности последовательных рабочих циклов двигателя внутреннего сгорания, содержащее последовательно соединенные частотный

датчик и преобразователь частота-напряжение, первый блок выборки сигналов с тремя входами, датчик границ периодов изменения крутящего момента, выполненный в виде датчика положения верхней мертвой

точки каждого цилиндра, и датчик границ рабочих циклов двигателя, выполненный в виде датчика положения верхней мертвой точки заданного цилиндра, выход датчика границ периодов изменения крутящего момента подключен к второму входу первого блока выборки сигнала, выход первого блока выборки через первый вычислительный блок связан с первым блоком формирования первого непрерывного сигнала, о т л и ч

а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности оценки, устройство дополнительно снабжено задатчиком границ частичных выборок в виде блока формирования сигналов с заданным периодом следования,

вторым блоком выборки и двумя входами, вторым вычислительным блоком с тремя входами, вторым и третьим блоками формирования .непрерывного сигнала, датчик границ рабочих циклов выполнен в виде

датчика ВМТ заданного цилиндра и снабжен вторым выходом, датчик границ периодов изменения крутящего момента снабжен вторым и третьим выходами, первый вычислительный блок снабжен вторым входом,

подключенным к второму выходу датчика границ периодов изменения крутящего момента, третий выход которого подключен к первому входу второго вычислительного блока, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу второго блока выборки и первому выходу датчика границ рабочих циклов, второй выход последнего подключен к третьему входу первого блока выборки сигналов, выход

первого блока выборки подключен дополнительно к первому входу второго блока выборки, второй вход которого соединен с выходом задатчика границ частичных выборок, а выход второго вычислительного блока

связан с последовательно соединенными вторым и третьим блоками формирования непрерывных сигналов.

9 W0Ј

9 WQЈ

Изобретение позволяет повысить до- стоверность оценки и расширить возможность определения состояния двигателя. Измеряют текущую угловую скорость вращения коленчатого вала двигателя. Фиксируют датчиками 5 и 6 моменты начала и конца каждого периода суммарного крутящего момента и рабочего цикла двигателя, в каждом рабочем цикле двигателя селектором 4 измеряют несколько характерных значений текущей угловой скорости вращения коленчатого вала за полную последовательность рабочих циклов. Задатчиком 10 фиксируют внутри полной серии моменты начала и конца заданных отдельных частичных выборок, и устройствами 8, 12 формируют непрерывные сигналы, пропорциональные статистическому показателю характерных значений текущей угловой скорости по полной серии последовательных рабочих циклов, дополнительные непрерывные сигналы, пропорциональные статистическому показателю характерных значений текущей угловой скорости по каждой частичной выборке, по которым устройством 13 формируют непрерывный сигнал, пропорциональный дисперсии дополнительных непрерывных сигналов. О состоянии двигателя судят по совокупности значений этих сигналов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. Ё

И I I I I I I I I I I II И I I I I I II I I I I I I f I I I I I I I I M I I I I I I I I

fI / 7If I17I Л7 /V

+

Т/57f 71 I S7 r

f

fit Јtl 22 и OZ

61 81 U

91 SI / f/

r- oo

N ГI I I I ( i i i l и I I 1 I I I M i | ) I I I I | П I i и i i I i i I i i i i i i i

-1-77-1

J Qi f /

H-5H 1-751 с b

ЛJ

Zl

t

8

/ 17 Ј

Г

v z

I I I I f I I I I I I I I M I I I I I I I

+

Т/57f 71 I S7 r

81 U

91 SI / f/

I I M i | ) I I I I | П I i и i i I i i I i i i i i i i

H-5H 1-751 с b

ЛJ

8

/ 17 Ј

Г

v z