RU2075741C1

RU2075741C1 - Method of and device for diagnosing and regulating internal combustion engine

Info

Publication number: RU2075741C1
Application number: RU93013965A
Authority: RU
Inventors: В.А. Вол; В.И. Алешин
Original assignee: Вол Вилен Абрамович
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1997-03-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: information on condition of internal combustion engine and its operating mode obtained by known methods is corrected by results of measurements of parameters of acoustic emission signals generated in process of operation of internal combustion engine by acoustic variable cavity resonators formed by above piston spaces of cylinders. Device to implement proposed method has number of channels equal to number of cylinders under checking. Each channel is acoustically coupled with corresponding cylinder of internal combustion engine through acoustic emission signal converter. All signals are processed on common time scale which makes it possible to bring to minimum influence of irregularity of cylinder operation which is one of causes affecting economy and reliability of internal combustion engine. EFFECT: increased authenticity of results of checking, improved optimization of regulation. 2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, более узко к области диагностики двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и оптимизации их рабочих режимов. The present invention relates to the field of measuring equipment, more specifically to the field of diagnostics of internal combustion engines (ICE) and optimization of their operating modes.

Известны способ и устройство для регулирования ДВС в процессе испытаний по определению характеристик ДВС (см. напр. [1]) содержащие средства определения заданных исходных значений, средства выборки измеренных значений с заданной синхронизацией выборки и средства вычислений по данным измерений, а также средства вычислений рассогласования, в которых регулировка осуществляется на основании известных с некоторой погрешностью соотношений между отдельными параметрами ДВС и значениями параметров рабочего процесса ДВС, соответствующими некой идеализированной модели ДВС. A known method and device for adjusting the internal combustion engine during testing to determine the characteristics of the internal combustion engine (see, for example, [1]) containing means for determining specified initial values, means for sampling the measured values with a given sample synchronization and calculation tools from the measurement data, as well as mismatch calculation tools in which the adjustment is carried out on the basis of the relations known between the individual ICE parameters and the ICE working process parameters corresponding to some th an idealized model of the internal combustion engine.

Как показывают результаты стендовых исследований (см. напр. [2]), взаимосвязь доступных измерению параметров ДВС неоднозначна, поэтому вывести ДВС на оптимальный режим возможно лишь методом последовательных приближений. С другой стороны, известно, что оптимизацией режима ДВС можно уменьшить потребление горючего на 10-20% а содержание дыма и окислов азота в отработанных газах в несколько раз (см. напр. [3] а также реферат в журнале "Автомобильная промышленность США", 1992, N 3. с.22 о работах фирмы Ricardo). Однако из-за неоднозначной связи параметров ДВС с параметрами рабочего процесса, и прежде всего процесса горения, достижимые при стендовых испытаниях результаты не могут быть получены в процессе эксплуатации. As the results of bench studies show (see, for example, [2]), the relationship between the parameters of internal combustion engines available for measurement is ambiguous, therefore, it is possible to bring the internal combustion engine to the optimal mode only by the method of successive approximations. On the other hand, it is known that by optimizing the internal combustion engine mode, it is possible to reduce fuel consumption by 10-20% and the smoke and nitrogen oxides in the exhaust gases by several times (see, for example, [3] as well as an abstract in the US Automotive Industry journal, 1992, N 3. p. 22 on the work of the company Ricardo). However, due to the ambiguous relationship between the parameters of the internal combustion engine and the parameters of the working process, and above all the combustion process, the results achievable during bench tests cannot be obtained during operation.

Известно также устройство для диагностирования механизмов циклического действия [4] содержащее последовательно соединенные вибропреобразователь, усилитель, блок распознавания сигналов и синхрогенератор, а также регулируемый полосовой фильтр и блок формирования импульсов, причем в состав блока распознавания сигналов входят последовательно соединенные блок коммутации, блок полосовых фильтров, блок пороговых элементов и блок индикации. Это устройство выбрано нами в качестве прототипа. Недостатком этого устройства является невозможность использования его для регулирования ДВС и неоднозначность локализации неисправностей, связанная с малой информативностью исследуемого параметра (вибрация). Also known is a device for diagnosing cyclic mechanisms [4] comprising a serially connected vibration transducer, an amplifier, a signal recognition unit and a clock generator, as well as an adjustable bandpass filter and a pulse generation unit, and the signal recognition unit includes serially connected switching unit, a bandpass filter unit, block threshold elements and display unit. This device is chosen by us as a prototype. The disadvantage of this device is the inability to use it to control the internal combustion engine and the ambiguity of the localization of faults associated with the low information content of the studied parameter (vibration).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности диагностики ДВС, и в частности цилиндро-поршневой группы, а также обеспечение возможности оптимального регулирования режима ДВС в процессе эксплуатации. The objective of the invention is to increase the reliability of the diagnosis of internal combustion engines, and in particular the cylinder-piston group, as well as providing the possibility of optimal regulation of the internal combustion engine during operation.

Эта цель достигается тем, что полученную известным методом информацию о состоянии ДВС и степени оптимальности его режима дополняют результатами измерений параметров сигналов акустической эмиссии. Генерируемых в процессе работы ДВС акустическими объемами резонаторами переменного объема, образованными надпоршневыми пространствами цилиндров, а устройство, реализующее предлагаемый способ, выполняют с числом каналов, равным числу контролируемых цилиндров, причем каждый канал акустически связан с соответствующим цилиндром ДВС через преобразователь сигналов акустической эмиссии, и все сигналы обрабатываются на общей шкале времени, что позволяет свести к минимуму влияние одной из причин снижения экономичности и надежности ДВС несогласованную работу цилиндров. This goal is achieved by the fact that the information obtained by the known method on the state of the internal combustion engine and the degree of optimality of its mode is supplemented by the measurement results of the parameters of acoustic emission signals. The acoustic volumes generated during the operation of the internal combustion engine by the acoustic resonators of variable volume formed by the over-piston spaces of the cylinders, and the device that implements the proposed method is performed with the number of channels equal to the number of monitored cylinders, each channel being acoustically connected to the corresponding internal combustion engine cylinder through an acoustic emission signal converter, and all the signals are processed on a common time scale, which minimizes the influence of one of the reasons for reducing the efficiency and reliability of ICE concerted work cylinders.

Сущность предлагаемого способа диагностики и регулирования ДВС заключается в том, что в качестве источника измерительной информации используют акустические колебания, возбуждаемые в надпоршневом пространстве цилиндра. Предложение основано на том, что в процессе работы объем, ограниченный стенками цилиндра и поршнем, представляет собой акустический объемный резонатор переменного объема, собственные частоты которого зависят от скорости распространения звука (которая в свою очередь прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газа), а параметры от состава и моментов впрыскивания и воспламенения рабочей смеси, а также от состояния пары "поршень-стенки цилиндра". The essence of the proposed method for the diagnosis and regulation of internal combustion engines is that acoustic oscillations excited in the above-piston space of the cylinder are used as a source of measurement information. The proposal is based on the fact that during operation, the volume bounded by the cylinder walls and the piston is an acoustic volume resonator of variable volume, the natural frequencies of which depend on the speed of sound propagation (which, in turn, is directly proportional to the square root of the absolute temperature of the gas), and the parameters on the composition and moments of injection and ignition of the working mixture, as well as on the state of the piston-cylinder-cylinder pair.

На основании измерения параметров сигналов акустической эмиссии, генерируемых акустическими объемными резонаторами, образованными надпоршневыми пространствами цилиндров, можно определить в реальном времени:
мгновенное значения температур газов в цилиндрах и законы их изменения;
распределение моментов воспламенения горючей смеси в цилиндрах;
изменение интенсивности процессов горения во времени;
состояние пар "цилинд-поршень".Based on the measurement of the parameters of acoustic emission signals generated by acoustic volume resonators formed by the over-piston spaces of the cylinders, it is possible to determine in real time:
instantaneous values of gas temperatures in cylinders and the laws of their change;
distribution of moments of ignition of the combustible mixture in the cylinders;
change in the intensity of combustion processes over time;
state of cylinder-piston pairs.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, регулируемый полосовой фильтр и блок распознавания сигналов, образующие канал выделения измерительной информации, а также блок формирования импульса, коммутатор, синхрогенератор и индикатор, и отличается от прототипа тем, что с целью повышения достоверности диагностики ДВС и обеспечения возможности его регулирования раздельно по цилиндрам в него дополнительно включены программируемый вычислитель, регистрирующее устройство и блок команд, число каналов выделения измерительной информации соответствует числу одновременно контролируемых цилиндров, в каждый канал выделения измерительной информации между регулируемым полосовым фильтром и блоком распознавания сигналов введен дополнительно усилитель с автоматической регулировкой усиления и каждый канал выделения измерительной информации акустически связан с надпоршневым пространством контролируемого цилиндра через преобразователь сигналов акустической эмиссии; каждый блок распознавания сигналов содержит усилитель-ограничитель, преобразователь "частота-код", амплитудный детектор и аналого-цифровой преобразователь, причем вход усилителя-ограничителя объединен с входом амплитудного детектора и с входом блока распознавания сигналов, выход амплитудного детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым выходом канала выделения измерительной информации, выход усилителя-ограничителя через преобразователь "частота-код" соединен со вторым выходом канала выделения измерительной информации, а выход узла автоматической регулировки усиления усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с третьим выходом канала выделения измерительной информации, причем управляющие входы аналого-цифрового преобразователя и преобразователя "частота-код" соединены с соответствующими тактовыми выходами программируемого вычислителя, информационные входы которого соединены с выходами всех каналов выделения измерительной информации, вход синхросигнала программируемого вычислителя подключен к выходу синхрогенератора; выход синхрогенератора соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен с выходом усилителя с автоматической регулировкой усиления одного из каналов выделения измерительной информации, а второй через датчик синхронизации с источником синхросигнала ДВС; выходы программируемого вычислителя соединены с индикатором, регистором и управляющими входами блока команд, выходы которого нагружены на исполнительные механизмы ДВС. A device that implements the proposed method contains a series-connected pre-amplifier, an adjustable band-pass filter and a signal recognition unit forming a channel for extracting measurement information, as well as a pulse forming unit, a switch, a clock generator and an indicator, and differs from the prototype in that in order to increase the reliability of diagnostics ICE and ensuring the possibility of its regulation separately for the cylinders, it also includes a programmable computer that records devices and a command block, the number of measurement information allocation channels corresponds to the number of simultaneously monitored cylinders, an amplifier with automatic gain control is added to each measurement information separation channel between the adjustable band-pass filter and the signal recognition unit, and each measurement information allocation channel is acoustically connected to the over-piston space of the controlled cylinder through acoustic emission signal converter; each signal recognition unit contains an amplifier-limiter, a frequency-to-code converter, an amplitude detector, and an analog-to-digital converter, the input of the amplifier-limiter being combined with the input of the amplitude detector and with the input of the signal recognition unit, the output of the amplitude detector is connected via an analog-to-digital converter with the first output of the channel for the allocation of measurement information, the output of the amplifier-limiter through a frequency-to-code converter is connected to the second output of the channel for the allocation of measurement information information, and the output of the automatic gain control unit of the amplifier with automatic gain control is connected to the third output of the channel for measuring information extraction, and the control inputs of the analog-to-digital converter and the frequency-code converter are connected to the corresponding clock outputs of the programmable calculator, the information inputs of which are connected to the outputs all channels for the allocation of measuring information, the input of the clock signal of the programmable calculator is connected to the output of the clock a; the output of the sync generator is connected to the output of the switch, the first input of which is connected to the output of the amplifier with automatic gain control of one of the channels for extracting measurement information, and the second through the synchronization sensor with the ICE clock source; the outputs of the programmable calculator are connected to an indicator, a register, and control inputs of a command block, the outputs of which are loaded on the actuators of the internal combustion engine.

Сущность предлагаемого устройства видна также из примера конкретного его выполнения, представленного на фиг. 1. Как видно из фиг. 1, предлагаемое устройство содержит некоторое число каналов выделения измерительной информации 1,2, на входе которых включены преобразователи сигналов акустической эмиссии 3,4 и каждый из которых состоит из последовательно соединенных предварительного усилителя 5, регулируемого полосового фильтра 6, усилителя с автоматической регулировкой усиления 7 с узлом автоматической регулировки усиления 8, а также блока распознавания сигналов 9, причем блок распознавания сигналов содержит параллельно включенные усилитель-ограничитель 10 и амплитудный детектор 11, нагруженные соответственно на преобразователь "частота-код" 12 и аналого-цифровой преобразователь 13, управляемые от программируемого вычислителя 14. Временная связь программируемого вычислителя с работой ДВС осуществляется с помощью синхрогенератора 15, который может быть синхронизирован с работой ДВС либо через датчик синхронизации 16, либо от одного из каналов выделения измерительной информации с помощью блока формирования импульса 17, подключенного к синхрогенератору через коммутатор 18. Программируемый вычислитель считывает информацию с выходов преобразователей "частота-код" и аналого-цифровых преобразователей всех каналов выделения измерительной информации, обрабатывает ее по заданной программе с учетом установленного узлом 8 коэффициента усиления усилителя с автоматической регулировкой усиления 7 и выдает результаты обработки на блок команд 19, нагруженный на исполнительные механизмы ДВС. Необходимая оператору информация выводится на индикатор 20, а также в зависимости от заданной программы автоматически регистрируется регистрирующим устройством 21. The essence of the proposed device is also visible from the example of its specific implementation, shown in FIG. 1. As can be seen from FIG. 1, the proposed device contains a number of channels for extracting measurement information 1.2, the input of which includes acoustic emission signal converters 3.4 and each of which consists of a series-connected pre-amplifier 5, an adjustable band-pass filter 6, an amplifier with automatic gain control 7 s the automatic gain control unit 8, as well as the signal recognition unit 9, the signal recognition unit comprising parallel-connected amplifier-limiter 10 and amplitudes detector 11, respectively loaded on a frequency-to-code converter 12 and analog-to-digital converter 13, controlled from programmable calculator 14. Temporary communication between programmable calculator and internal combustion engine operation is carried out using a sync generator 15, which can be synchronized with the internal combustion engine or through a sensor synchronization 16, or from one of the channels for extracting measurement information using a pulse generating unit 17 connected to the clock generator through switch 18. Programmable calculator it receives information from the outputs of the frequency-to-code converters and analog-to-digital converters of all channels for extracting measurement information, processes it according to a predetermined program, taking into account the amplifier gain set by node 8 with automatic gain control 7, and outputs the processing results to command block 19 loaded on actuators ICE. The information necessary for the operator is displayed on the indicator 20, and also depending on the specified program is automatically registered by the recording device 21.

К материалам заявки приложены:
1. Возможная функциональная схема предлагаемого устройства для диагностики ДВС и их регулирования фиг. 1.The application materials are attached:
1. A possible functional diagram of the proposed device for the diagnosis of internal combustion engines and their regulation of FIG. one.

2. Вариант выполнения преобразователя "частота-код" фиг. 2. 2. An embodiment of the frequency-to-code converter of FIG. 2.

Практически все узлы, входящие в состав предлагаемого устройства, включая программируемый вычислитель, индикатор и блок команд, являются типовыми, выполняемыми на соответствующих стандартных элементах электронной и релейной техники (операционные усилители, специализированные ЭВМ на микропроцессорах, системы электронного зажигания и т.п.). Преобразователь сигналов акустической эмиссии может быть взят серийный (например, от прибора АВН-3) или изготовлен специально, например, на основе титаната бария. Конкретная реализация блока команд зависит от условий применения устройства. В частности, при наличии бортового компьютера (которым ныне оснащаются даже некоторые легковые автомобили) возможно введением дополнительной программы в бортовой компьютер (или перепрагроммирование его) поручить ему управление предложенным устройством с последующим учетом дополнительной информации. Almost all the nodes that make up the proposed device, including a programmable calculator, indicator and command block, are typical, executed on the corresponding standard elements of electronic and relay technology (operational amplifiers, specialized computers on microprocessors, electronic ignition systems, etc.). The acoustic emission signal converter can be taken commercially (for example, from the AVN-3 device) or specially made, for example, based on barium titanate. The specific implementation of the command block depends on the application conditions of the device. In particular, if there is an on-board computer (which even some cars are now equipped with), it is possible to entrust him with controlling the proposed device with the addition of additional information to the on-board computer (or over-programing it).

Конкретное исполнение преобразователя "частота-код" 12 может быть различным, и один из возможных вариантов его исполнения приведен на фиг. 2. Преобразователь собран на четырех схемах "И-НЕ". (22, 23, 24, 25), двух счетчиках (26, 27) и двух дешифраторах (28, 29), которые, в частности, могут быть выполнены в одном корпусе со счетчиками. Команды, поступающие с программируемого вычислителя, обеспечивают попеременное включения счетчиков то в режим записи количества импульсов, поступающих с усилителя-ограничителя за заданный интервал времени через открытую схему "И-НЕ", то в режиме хранения, в течение которого информация считывается с соответствующего дешифратора с последующим сбросом. The specific implementation of the frequency-to-code converter 12 may be different, and one of the possible variants of its execution is shown in FIG. 2. The converter is assembled on four AND-NOT circuits. (22, 23, 24, 25), two counters (26, 27) and two decoders (28, 29), which, in particular, can be made in one housing with counters. The commands coming from the programmable calculator provide alternating switching on of the counters, either in the recording mode of the number of pulses coming from the limiter amplifier for a given time interval through the open AND-NOT circuit, or in the storage mode during which the information is read from the corresponding decoder with subsequent reset.

Claims

1. A method for diagnosing and regulating internal combustion engines according to the results of measuring the parameters of physical processes associated with the operation of internal combustion engines, characterized in that additional information about the state of internal combustion engines and their modes is obtained by measuring the parameters of acoustic emission signals generated by variable acoustic resonators volume formed by the over-piston spaces of the cylinders in the frequency range of the modes of intrinsic acoustic oscillations of these volume resonators.

2. A device for diagnosing and regulating internal combustion engines, comprising a series-connected pre-amplifier, an adjustable band-pass filter and a signal recognition unit forming a channel for extracting measurement information, as well as a pulse forming unit, a switch, a clock generator and an indicator, characterized in that it additionally includes a programmable calculator, a recording device and a block of commands, the number of channels for selecting measurement information corresponds to the number of simultaneous of controlled cylinders, an amplifier with automatic gain control is added to each channel for measuring measurement information between the adjustable band-pass filter and the signal recognition unit, and each channel for measuring measurement information is acoustically connected to the super-piston space of the cylinder under control through an acoustic emission signal converter, each signal recognition block contains an amplifier -limiter, frequency code converter, amplitude detector and analog-to-digital a new converter, the input of the amplifier-limiter combined with the input of the amplitude detector and the input of the signal recognition unit, the output of the amplitude detector through an analog-to-digital converter connected to the first output of the channel for extracting measurement information, the output of the amplifier-limiter through the frequency converter code connected to the second output of the allocation channel measuring information, and the output of the automatic gain control unit of the amplifier with automatic gain control is connected to the third output an analyzer for extracting measurement information, the control inputs of an analog-to-digital converter and a frequency converter being connected to the corresponding clock outputs of a programmable computer, the information inputs of which are connected to the outputs of all channels for measuring information, the clock signal of a programmable computer is connected to the output of the clock generator, the input of the clock generator is connected to the output switch, the first input of which is connected to the output of the amplifier with automatic control the transmission of one of the channels for extracting measurement information, and the second through a synchronization sensor with a clock source of an internal combustion engine, the outputs of a programmable computer are connected to an indicator, a recorder, and control inputs of a command block, the outputs of which are loaded onto actuators of internal combustion engines.