Устройство для оценки детонации в двигателе внутреннего сгорания

 

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 сумматора-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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G О! M 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ! г у ивою 11 i lltL,Ì

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4015909/25-06 (22) 21. 01. 86 (46) 23.05,88. Бюл, Р 19 (7:2) П.С.Пынтикав и С.А.Болотов (53) 621.43.001(088.8) (56) Патент США У 4346586, кл. 73-35, опублик. 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ДЕТОНАЦИИ

В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет повысить точность оценки детонации. Устр-ао содержит датчик 1 вибрации, блок 2 нормализации, усилители 3,5, детектор 4, источник 6 напряжения, детектор 7, схему 8 выделения среднего уровня сигнала, аттенюатор 9, схему

10 выделения амплитуды сигнала, источник 11 напряжения управления величиной разности сигналов, сумматор-вы„„SU„„1397777 А 1 читатель 12, схему 13 сравнения. При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя происходит изменение средневыпрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, которое вызывает равное по величине изменение сигнала на выходе сумматора-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 средневыпрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, то на выходе схемы 13 отсутствует сигнал, указывающий на наличие детонации двигателя внутреннего сгорания. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

13977/7,1

Изобретение относится к машиностроению и может быть и польэовано ! для оценки дЕтонацни при испытаниях

Ф двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения — повышение точности оценки детонации.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — осциллограммы сигналов на входе усилителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи (а); на выходе усилителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи (б); на входах схемы сравнения (в); на выходе схемы сравнения соответственно на

Малых и больших частотах вращения коленчатого вала (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-25 ченные последовательно датчик 1 вибрации, блок 2 нормализации амплитуды переменного сигнала, выполненный в

Энде усилителя 3 переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи, подключенного к датчику вибрации и последовательно связанного с детектором 4 амплитудного значения сигнала, интегрирующим усилителем 5 сигнала рассогласования и источника 6 напряжения управления амплитудой перемен35 !

oro сигнала подключенного к второУ му входу интегрирующего усилителя 5, ыход которого подключен к другому ходу усилителя 3, к выходу последнео 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- 45 ной совместно со схемой 8 выделения и источником 11 напряжения управления 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 случае, может представлять собой датчик вибраций резонансного типа, резонансная частота которого соответствует частоте вибраций двигателя при детонации, а во втором случае может состоять из широкополосного датчика вибраций и полосового фильтра, резонансная частота которого соответствует частоте вибраций двигателя при детснации.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии детонации двигате.— ля 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, пропорциональный 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 амплитудных 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

1397777 нормализации амплитуды переменного сигнала нормалиэован по амплитуде н 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. 10

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- 1 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-нычитателя 12.

Ослабленный аттенюатором 9 ныпрямляемый нормализованный по амплитуде 25 сигнал фильтруется схемой 10 выделения амплитуды сигнала, в результате чего на выходе получается ослабленная огибающая данного сигнала, которая поступает на второй суммирующий вход сумматора-вычитателя 12. На вычитающий вход сумматора-вычитателя 12 поступает напряжение постоянного тока с источника 11 напряжения управления величиной разности сигналов.

Сумматор-нычитатель 12, имеющий коэффициент усиления напряжения постоянного тока равным единице, осуществляет суммирование средневыпрямпенного 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 линается в зависимости от требуемой разности, соответствующей определенному уровню детонации двигателя, между средневыпрямленным значением нормализованного по амплитуде сигнала и выходным сигналом сумматора-вычитателя 12.

При изменении частоты вращения коленчатого нала двигателя происходит изменение средневыпрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, которое вызывает равное по величине изменение сигнала на выходе сумматора-вычнтателя 12, так как его коэффициент 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-нычитателя 12 не превышает средневыпрямленного значения нормализованного по амплитуде сигнала, то на выходе схемы 13 сравнения отсутствует сигнал, указывающий на наличие детонации двигателя внутреннего сгорания.

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

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 нормализованный по амплитуде 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 сумматоравычитателя 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

1397177 что данное значение отношения постоянно при изменении частоты вращения коленчатого IJIIJIà двигателя, определение уровня детонации при известном для конкретного типа двигателя значении отношения амплитуд импульсов осуществляется путем подачи соответвующего значения напряжения постоян ного тока на вычитающий вход суммато- 10 ра-вычнтателя 12 с источника вапряже— ния управления величиной разности сигналов !1, обеспечивая этим необходимую ве(ичину разности сиг на((ов на входах схемы 13 сравнения. Выбор величины напряжения постояниогo тока

U«, необходимого для обеспечения требуемой разности сигналов на входе схемы 13 сравнения, осуществляется из выражения U„ =U« /К, где К вЂ” зна- 20 чения отношении амплитуд импульса при детонации к амплитудам импульсов фонового шума, соответствующее конкретным уровням детонации; U ь, — 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 чаличия 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 4 соответстВует разность сигналов на ее

Входе, а также на все последующие уровни детонации в возрастающем порядке.

В случае определения неизвестного

45 уровня детонации необходимо последовательно изменять напряжение постоянного тока на вычитающем входе сумматора-вычитателя 12 до начального срабатывания схемы 13 сравнения. По зна- 5О чению отношения напряжения U« ц к напряжению U

Один из возможных вариантов схем» 55 . ной реализации устройства для обнаружения и определения уровня детонации двигателя внутреннего сгорания без датчика 1 вибраций изображен на 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, коэффициент 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 сопротивления резистора 16 к сопротивлению 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, состоящим из резисторов 22 и 23, при использовании однополярного питания всего устройства. Конденсатор 24 является фильтрующим.

Выход операционного усилителя 14 одновременно соединен с положительным 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 orleрационный 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 резистивного делителя, состоящего из резисторов

34 и 35 и образующие совместно с конденсатором 36 источник 6 (фиг. 1) на l397777 пряжения 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 на" пряжением постоянного тока, присутст- 10 вующим на положительном входе операционного усилителя 33 и определяющее амплитуду нормализованного по амплитуде сигнала. В результате сравнения вырабатывается сигнал рассогла- 15 сования, имеющий положительное приращение, который при интегрировании вызывает уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя 33. Так как напряжение на выходе операцион- 2<> ного усилителя 33 может изменяться от напряжения насыщения до нуля, то для 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. Уменьшение на ряжения на затворе вызывает уменьше-30 ние сопротивления канала сток-исток полевого транзистора 21 и на вход one. рационного 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 полевого 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, состав-ляющие схему 10 (фиг. 1) выделения амплитудного изменения сигнала. Сопротивление каждого из резисторов 38, 37 5>

41- выбрано таким; что на конденсатор

39, емкость которого значительно больше емкости конденсатора 40, фон» 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 суммирующий 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 совместйЬ с конденсатором 52 образуют источник 11 напряжения управления величиной разности сигналов (фиг.1).

Так как коэффициент усиления сумматора-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 46к сопротивлению резистора 45 при условии, что сопротивление резистора 47 много больше сопротивления резистора 45, а емкостное сопротивление кон" денсатора 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-вычитателя 12 (фиг. 1), обеспечивающего аналогичные параметры, изображен на фиг. 4. В данном случае операции сум. мирования и вычитания выполняются в разных каскадах. Операционный усилитель 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 данной варианте сумматора-вычитателя коэффициента усиления напряжения постоянного тока равным единице резисторы

55 — 58 имеют равное сопротивление, а сумматор для данного напряжения является повторителем. Усиление переменного сигнала (амплитудного изменения сигнала) осуществляется в сумма10

1397777

9 торе и определяется отношением суммы сопротивления резисторов 60 и 62 к сопротивлению резистора 60 при условии, что емкостное сопротивление кон- 5 денсатора 63 для переменного сигнала много меньше сопротивления резистора 60. Включение данного варианта сумматора-вычитателя в схему, изображенную на фиг. 3, осуществляется сле- 10 дующим 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 точ- 15 ке соединения резисторов 37 и 41 и конденсатора 40.

Возможный вариант детектора амплитудного значения сигнала, обеспечивающего аналогичные параметры, изображен на фиг. 5. Операционный усилитель 69,.имеющий единичное усиление и включенный в общую цепь обратной связи операционного усилителя 70, предотвращает перегрузку операцион- 25 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 усилителя 70 ° Диод 73 является выпрямляющим.

Время хранения амплитудного значения сигнала определяется величиной емкости конденсатора 71 и током его разряда через резистор 74 ° Включение данного варианта детектора амплитудного значения сигнала в схему, изображенную на фиг. 3, осуществляется следующим образом: контакт 75 подключается к выходу операционного Усилителя 14, 40 контакт 76 — к точке соединения резисторов 22 и 23, контакт 77 — к резистору 31.

Возможный вариант усилителя пере45 менного сигнала .с изменяемым коэффициентом передачи, обеспечивающий аналогичные параметры, изображен на фиг. 6.

В данном варианте изменение коэф- фициента передачи переменного сигнала осуществляется за счет управления коэффициентом усиления операционного усилителя 78 с отрицательной обратной связью цепь которой состоит иэ реУ

55 зистора 79, управляемого полевого транзистора 80 и конденсатора 81, предназначенного для исключения усиления напряжения постоянного тока.

Для обеспечения обработки сигнала., амплитуда которого может быть больше сигнала на выходе. операционного усилителя 78, на входе используется резистивный 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 больше 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 усилителя в схему, изображенную на фиг.3Ä осуществляется следующим образом: контакт 87 подключается к точке соединения 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.

Формула изобретения

1. Устройство для оценки детонации в двигателе внутреннего сгорания, включающее последовательно соединенные датчик вибрации, детектор, схему

I выделения среднего уровня сигналов, схему сравнения, а также аттенюатор

1397777 и схему выделения амплитуды сигнала, последовательно подключенные к выходу детектора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, устройство дополнительно содержит 5 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-вычитателя подключен к выходу схемы выделения среднего уровня сигналов, второй вход — к выходу схемы выделения амплитуды. сигнала, третий вход — к источнику напряжения управления величиной разности сигналов, а выход подключен к второму вхо- 2О ду схемы сравнения.

2. Устройство по и. 1, о т л ич- а ю щ е е с я тем, что блок нормализации амплитуды переменного сигнала выполнен в виде последовательно включенных усичителя переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи, детектора амплитудного значения сигнала, интегрирующего усилителя сигнала рассогласования, а также источника напряжения управления амплитудой переменного сигнала, подклюI ченного к второму входу интегрирующего усилителя сигнала рассогласования, Й выход последнего подключен к одному из входов усилителя переменного .сигнала с изменяемым коэффициентом передачи, причем другой его вход и выход служат вхо— дом и выходом блока нормализации. l397777

Составитель А.Аристов

Редактор С.Патрушева Техред М.Ходанич . Корректор М.Щароши г

Заказ 2265/41 Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1i3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4