Устройство для индицирования двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1980 года по МПК G01L23/08 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может найти широкое применение при разработке и усовершенствовании порш невых машин, двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и т.д. Известны устройства для индициро вания двигателей внутреннего сгорания,, содержащие датчик параметра с формирователем и датчик угла поворота вала, усилитель, счетчики меток и выборок, формирователь, ключ режим триггер управления, аналоговое запоминающее устройство (АЗУ), аналого во-цифровой преобразователь (ЛУП), усилитель-согласователь, транскритор и регистратор, причем датчик параметра через усилитель связан с АЗУ, на другом входе которого включен счетчик меток, а на выходе через последовательно соединенные усилитель-согласователь итранскриторрегистратор, при этом формирователь импульсов соединен параллельно с триггером управления, счетчиком мег ток и счетчиком выборок, который соединен также с триггером управления 1 , Недостатком индикатора являются узкий круг решаемых задач, малый диапазон рабочих скорсстей MCJJJHHH из-за отсутствия согласования быстродействия регитсратора со скоростью вращения колеЕ валг,- спохкость дешифратора, особенно 1ФЙ увеличен ;;-; числа градиций-по ушу; иэбытсчнос:гь информации об из.меряемой величине при значениях угла поворотг; ко.т: ей вала из области нижней мертвой точки,, низкая точность измерений s режиме насосных ходов. Целью изобретения является обеспечение возможности индикации параметров в широком диапазоне скоростных режимов и на заданном участке хода поршня. Указанная цель достигается тем, чао устройство дополнительно содержит первую и вторую задержки, схему вычитания единищл,, схему И и триггер пересчета, причем разрешающий выход регистратора соединен с его управляющим входом через последова тельно соединенные схемы задержки, первая из которых включена меж,цу счетчиком меток и АЦП, другой выход регистратора через последовательно соединенные схему вычитания единиш.,1 и триггер пересчета соединен со чиком меток, триггер управления под-ключей к одному из йходов схемы И, ругой вход которой связан с датчиком угла, а выход - со схемой вычитания единицы. Кроме того, в устройство ополнительно введены селектор верхней, мертвой точки, включенный между атчиком угла и ключом режима, и спусковое устройство, входы которого оединены с выходом ключа режима, атчиком угла и триггером управления, выход - с третьим входом схемы И, В устройство, кроме того, введен усилитель-ограничитель и ключ масшта ба, включенные последовательно датчиком .параметра и АЗУ, причем ключ 1асштаба связан также с усилителем.

На фиг, 1 приведена блок-схема устройства; на фиг, 2 - схема временных сигналов.

Датчик 1 содержит на оси колеивала диск с меткамиугла в виде, например, радиальных щелей, а с двух сторон диска установлена фотопара (светодиод и фотодиод), Сигнал с фотодиода поступает на фотоэлектрический преобразователь 2 угла поворота.

Фотоэлектрический преобразователь 2 содержит три фотопары и осуществляв ет формирование трех последовательностей импульсов: импульсов верхней мертвой точки (BMf), импульсов нижней мертвой точки (НМТ) и рабочих импульсов (метки угла) (фиг, 2),

В рабочую камеру двигателя внутреннего сгорания (две) вмонтирован пьезоэлектрический датчик давления 3, выходной сигнал которого через ключ масштаба 4 поступает на вход усилителя 5 п-ъезотоков и усилителяограничителя 6 насосных ходов, Bыxoд ное напряжение усилителя 5 пъезотоков, пропорциональное величине давления в цилиндре поступает на аналоговое запоминающее устройство 7 (АЗУ), которое осуществляет выборку мгновенных значений измеряемого давления в соответствии с сигналами с устройства управления, формируемыми по управляющим импульсам поворота колен вала. Выход АЗУ соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП), цифровой выход которого через усилитель-согласователь 9 и транскриптор 10 поступает на вход регистра тора 11, например, перфоратора,

Работа АЗУ, АЦП и перфоратора осуществляется выходными импульсами управлрющего устройства. Управляющее устройство предлагаемого индикатора рабочих процессов в поршневых машинах позволяет в отличие от аналогов, исследовать рабочие процессы с различными периодами рабочих циклов, например, в компрессорах с периодом 360 угла поворота коленвала или с периодом 720 угла поворота в две или дизелях, причем в

последнем случае характеризуется возможностью селективного исследования ходов рабочего цикла: рабочего или насосного хода с соответствующим изменением параметров устройства индицирования, е этой целью на входную ячейку И 12-управляющего устройства поступают импульсы угла поворота коленвала, а также импульсы НМТ через спусковое устройство 13 и импульсы ,ВМТ через селектор ВМТ 14 ключ 15 режима и спусковое устройство 13, Выход.ячейки И через схему 16 вычета единицы и триггер 17 пересчета соединен со входом счетчика 18 меток. Выход счетчика 18 соединен с управляющим входом 7 АЗУ через перву схему 19 задержки соединен с управляющим уходом 8 АЦП и через вторую схемузадержки 20 соединен с управляющимвходом перфоратора 11 (ПЛ-150), Импульсный выход перфоратора соединен со входом счетчика

21импульсов выборок и с управляющим входом схемы 16 вычитания единицы.

Вход формирователя импульсов 22 соединен с кнопками Начальная установка и Пуск и выход импульсов Начальная установка соединен с установочными входами схемы- 16 вычета единицы, счетчика 18 меток угла, счетчика 21 импульсов выборок и триггера управления 23, Выход имп.ульса Пуск формировател

22соединен с управляющим входом триггера 23 управления.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Исходно ключ 4 масштаба давления и ключ 15 режима синхронно устанавливаются в требуемое положение рабочий ход или б - насосный ход. Нажатием кнопки Начальная установка формирователь 22 выдает импульс Начальная установка , по которому счетчики 18 и 21, схема 16 вычитания единицы и триггер 23 устанавливаются в исходные состояния, при которых счетчик, 18 полностью заполнен, счетчик 21 сброшен в ноль, а с триггера 23 поступают на вход -спускового устройства 13 и схему И -12 запрещающие сигналы, в результате чего на счетчик 18 не поступают импульсы меток угла. После нажатия кнопки Пуск формирователь 22 выдает импульс пуска на триггер 23, который устанавливается в положение, разрешающее работу спускового устройства и прохождение импульсов меток угла через схему И 12, Спусковое устройство 13 воспринимает первый импульс ВМТ, отсчитывает от него следующий по времени импульс НМТ, и в этот Момент открывается схема И 12, позволякицая импульсам меток угла проходить через схему 16 и триггер пересчета 17 на счетчик 18 меток угла. Первый же импульс после НМТ переполняет счетчик 18, и выходной, сигнал его (перепад 0 - Ч) является запускающим для ДЗУ, которое осуществляет точечную выборку из сигнала U(P) давления. Напряжение Uj(Р) хранится в АЗУ и с помощью АЦП 8 преобразуется в код. Для этого через время задержки формируемое первой схемой 19 задержки и необходимое для завершения процесса выборки АЗУ, дается схемой 19 импульс запуска на АЦП-8 в течение времени осуществляет преобразование .напряжения ( в цифровой код,кот рый требуется зарегистрировать на перфоленте. Для этого через время задержки необходимое для срабатывани АЦП и формируемое второй схемой 20 задержки, последней выдается импульс запуска на перфоратор 11. После того, как перфоратор 11 закончил регистрацию первого значения напряжения Ui (Р) давления, он вы т яЛ ш дает импульс вычитания на схему 16, Схема 16 выбивает один, импульс из последовательности импульсов отметок угла поворота и возвращается в исходное состояние. Кроме того, на вход счетчика 21 поступает первый импульс выборки. Таким образом, происходит сдвиг по фазе сигнала на выходе счетчика 18, то есть импульса запуска АЗУ, по отношению к отметкам ВМТ и НМТ. АЗУ будет выбирать теперь из сигнала и (Р) следующее второе значение О(Р Измерение второго значения давлени, задерживается на время, необходимое для завершения регистрации его значения перфоратором. Это обеспечивается запрещающим сигналом с выхода перфоратора, пока идет процесс регистрации, на схему 19, по которому запрещается прохождение импульсов запуска на АЦП. Когда процесс регистрации закончен с выхода перфоратора на схему 1 поступает сигнал, разрешающий задуск АЦП, второй счетный импульс выборки на счетчик 21 и сигнал на схему 16 вычитания единицы, т.е. производится сдвиг на.следующую третью точку и т.д. После того, как будет зарегистрирован полный период дайления, т.е. осуществлены все выборки давления, .число которых определяется числом меток угла на диске т.е. коэффициентом деления счетчи1 а 21, выходной сигнал 21 (перепад О -.) опрокидывает триггер 23, при этом импульсы меток угла поворота перестают поступать на сч«г чик 18, и процесс измерения и регистрации останавливается. Для возобновления цикла работы системы необходимо нажимать последо вательно кнопки Начальная установка и Пуск,при этом ключи масштаба 4 и хода 15 должны находиться в требуемом положении (рабочий или насосный).Переключатель может быть: как ручным, так и автоматическим. Предлагаемое устройство скомплектовано ив стандартных блоков. Так, в качестве АЦП, усилителя-согласователя и транскриптора использованы блоки информационно-измерительной системы промьшшенного назначения типа К 200, Это АЦП Ф 203, транскриптор Ф 253, усилитель-согласователь Ф 270. В качестве регистратора использован перфоратор типа ПЛ-150. с Давление в камере сгорания измеряется с помощью пъезокварцевых датчиков давления ЦНИДИ сноминальной чувствительностью 0,2 10 тСо/Па. разработаны усилители пъезотоков 5 и 6 с номинальной чувст|вительностью S о , 340 В/Кл и S . Они обеспечивают два .режима - записи и контроля всей диаграммы (рабочий ход) - усилитель 5 или увеличенной в 10 раз ее нижней части (насосные хода) - усилитель 6. Анализ исследований рабочих процессов в поршневых машинах, -проводимых как у нас в стране, так и за руЪежом, показывает, что для измерений теплоэнергетических параметров машин с погрешностью порядка дискретизация по углу поворота коленвала должна быть не более одного градуса, что соответствует 360 значениям в цикле, например,.температуры в рабочей полости компрессора или 720 значениям давлений в цилиндре две в полном цикле. Априорные сведения об исследуемом процессе давления показывают, что в рабочем хода Поршня имеется явно выраженный пик давления в области ВМТ, т.е.Участок с большой производной, который не превышает 90 поворота коленвала и расположен не более, чем за 30 до ВМТ и после ВМТ. Именно на этом участке требуется измерять исследуемый сигнал давления (температуры) с минимальным шагом по углу не более 1°, На остальной части информационного периода (рабочего хода 270) давление изменяется плавно в небольших пределах. Чтобы не вносить избыточности в результаты измерений, достаточно при заданной точности C.Ki + 2%) производить измерения с шагом по углу не менее 10, т.е. адаптироваться к характеру изменения исследуемого процесса. Такую адаптацию коленвала производят нанесением соответствующих меток (прорезей) в диске (фиг.1 или 2),что и осуществлено в предлагаемом устройстве.Преимущества данного устройства очевидны, так как вместо 360 точек регистрируются 117 точек, при этом в три раза уменьшается время измерения, во столько же раз экономится перфолент при сохранении той же точности изме рения. К тому же и аппаратура несколько упрощается за счет меньшей емкости счетчиков (18-и 21), Исследуемые процессы в ДВС носят периодический характер, с периодом, равным двум оборотам коленвала, т.е 720, причем наиболее интересный . рабочий -ход поршня, на который приходится пик давления, составляет 360 (фиг. 2). Вторую половину цикла составляет насосный ход. В процессе исследований наибольший интерес представляет именно рабочий ход, В предлагаемом устройстве осуществляе ся избирательность режима измерения вручную или автоматически с помощью соответствующих ключей 4 и 15 (фиг. и простейшего усовершенствования путем введения пересчетного триггер 17 на входе счетчика 18 импульсов м ток угла с коэффициентом деления К г 117.Выбор рабочего хода в качестве информативного обеспечивается с пом щью селектора ВМТ. Для регистрации рабочего хода нужно выделить ВМТ насосного хода и начать измерение со следующей по времени метки НМТ. Для регистрации насосного хода нужно выделить ВМТ рабочего хода (по большому уровню давления) и начать измерение с НМТ. Сказанное вы:ие осуи ествляется с помощью селектора. ВМТ 14, ключа 15, спускового устройства 13 и схемы И 12 (фиг. 1). На насосных ходах уровень давления существенно меньше .пика давления более, чем в 10 раз, i Поэтому при- регистрации давления на сосных ходов для обеспечения выкодного сигнала пъезоусилителя, соизмеримого с нормальным входным напряжением АЦП, пъезоусилитель б име коэффициент усиления в 10 раз выше номинальной чувствительности усилителя 5, В этом режиме рабочий ход не является информативным и пъезоусилитель б работает в режиме ограничения пика давления, В про-цессе разработки поршневых машин исследования их проводятся в Широком диапазоне скоростей вращения коленвала двигателя, по крайней мере 300 + 3500 об/мин. При использовании перфоратора ПЛ-150 на номинальной скорости вращения двигателя время -регистрации определяется быст родействием перфораторе. При малых скоростях вращения коленвала двигателя, время регистрс.ции обуславливается уже скоростью двигателя. Для обеспечения устойчивой работы устро ства на разных скоростях вр-ащения коленвала управляющий им11ульсный выход перфоратора соединен с управляющигл вхс.-дом cxeivM задержки 19 пуска АЦП 17. Таким образом, при скорости -регистрации перфоратора ПЛ-150 150 строк/сек, время регистрации 5-ти разрядного числа составляет не более 70 мс, и время регистрации одного цикла составляет порядка 45 с при скорости двигателя 300 об/мин, при этом производится выборка точек из 117 информационных периодов. При скорости двигателя 3500 об/мин время регистрации составляет порядка 8 с и выборка точек производится из 234 информационных периодов, поскольку перфоратор нэ успевает работать в темпе работы двигателя. При исследовании многоцилиндровых двигателей (дизелей), для индицирования процессов в каждом цилиндре фото датчик устанавливается на червячном колесе,которое с помощью червячной передачи поворачивается относительно диска с метками угла, жестко, установленного на коленвале двигателя, что позволяет использовать один фотодатчик угла. Таким образом, фотодатчик может быть точно совмещен с положением ВМТ любого из цилиндров двигателя. После выставки.фотодатчика червячное колесо жестко стопорится. Малое время регистрации индикаторной д.иагра1у1мы (8 сек при номинальных оборотах) позволяет в течение сравнительно короткого интервала времени (2-5 минут) зарегистрировать десяток и более индикаторных диаграмм, что позволяет с помощью ЭВМ осуществить статическую обработку результатов измерения и получить наиболее достоверные характеристики рабочего процесса поршневой машины. Предлагаемое устройство исключает избыточную информацию ипозволяет без потери точности экономить машинное время на обработку информации и, по меньшей мере, в три раза уменьшить потребление носителя информации (перфоленты) и в три раза выиграть в быстродействии подобных устройств с перфоратором в качестве регистратора. Формула изобретения 1, Устройство для индицирования двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик параметра с формирователем и датчик угла поворота вала, усилитель, счетчики меток и выборок, формирователь, ключ режима, триггер управления, аналоговое запоминающее устройство (АЗУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), усилитель-ссУгласователь транскриптор и регистратор, причем датчик параметра через усилитель связан с

АЗУ, ни другом входе которого включен счетчик меток, а на выходе через последовательно соединенные усилитель-согласователь и транскриптор-регистратор, приэтом формирователь импульсов соединен параллельно с триггером управления, счетчиком меток и счетчиком выборок, который соединен также с триггером управления, отличаютИ йся тем, что, с целью индикации параметров в широком диапазоне скоростн режимов и на заданном участке хода поршня, устройство дополнительно содержит первую и вторую схемы задержки, схему вычитания единицы, схему И и триггер пересчета, причем разрешающий выход регистратора соединен управляющим входом через последовательно соединенные схемы задержки, первая из которых включена между счетчиком меток и АЦП, другой выход регистратора через последовательно соединенные схему вычитания единицы и триггер

пересчета соединен со счетчиком меток, триггер управления подключен к одному из входов схемы И, другой вход которой связан с датчиком угла, а выход- со схемой вычитания единицы.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, в него дополнительно введены селектор ssepxней мертвой точки, включенный между датчиком угла и ключом режима, и спусковое устройство, входы которого

o соединены с выходом ключа режима, датчиком угла и триггером управления, а выход - с третьим входом схегчы И,

3.Устройство по п.п. 1 и 2, отличающееся тем, что в

5 него дополнительно введен усилительограничитель и ключ масштаба, -включенные последовательно меиэду датчиком параметра и АЗУ, причем ключ масштаба связан также с yci-шителем.

Источники информации,

0 принятые во внимание при экспертизе

1. Motorteclinisctie zeitsctirif t, 1975, 36, № 2, с 33-38.

ВМТ f/afpvux ходоб