Способ определения нестабильности вращения двигателя внутреннего сгорания

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) 111 151) 4 ) 02 О АНИЕ И НОМУ СВИД РЕТЕН У ТЕЛ я его точности метров и повышен временной интерв равное продолжит цикла двигателя, нии разностей ме периодов периоды значение нестаби ределяютриодамисти межд принимают время гоеделеьности раборичем при о у дву ереду ьно по перв Т, и Т,3 (,Т; фТ; где Т - пе ода; и опр значение н ния текуще ек е еачения нестабильно и, вычисленно ычитанием одн й разности из дрие трех последов гой корректируем на произведе ных периодов л СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ 1 ТИЙ(71) Научно-исследовательский иэкспериментальный институт автотракторного электрооборудования и автоприборов и Московский ордена Трудового Красного Знамени автомобильнодорожный институт(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТИВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.(57) Способ определения нестабильности вращения. двигателя внутреннегосгорания путем измерения каждого периода вращения коленчатого вала, получения первой и второй разностеймежду двумя парами периодов, вычисления текущего значения нестабильности за временной интервал путем вычитания одной разности из другой,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения области примененияспособа путем распространения его навсе скоростные режимы двигателя приоптимизации различных выходных паражд мя парами ч ют, текущее сти вращения оп й разности между п,и по второи разноми Т и Т ркор 1разность умножением иод;- номер д-г деляют приведенное стабильности путем1099663 Шекмар рек Заказ 7039/4ВНИИПИ 30 филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул, Проектная актор О. Юркова Техред А.Бабин ираж 537Государственногоелам изобретенииосква, Ж, Рауш Подписноеомитета СССРоткрытийкая наб., д, 4/51099663 2вызвать ложный сигнал нестабильностизначительной величины. Если исходитьиз суммирования давления газов не покаждому периоду а по интервалам времени, Равным продолжительности рабочих циклов двигателя, то при неисправности одного из цилиндров ложныйсигнал нестабильности будет меньше,чем в рассматриваемом случае.1 О Цель изобретения - расширение области применения способа путем распространения его на все скоростныережимы двигателя при оптимизации различных выходных параметров и повыше 15 ние точности,Для достижения поставленной целив способе определения нестабильностивращения двигателя внутреннего сгорания путем измерения каждого периодащ вращения коленчатого вала, полученияпервои и второй разностей между двумя парами периодов, вычисления текущего значения нестабильности эа временной интервал путем вычитания од 25 ной разности из другой, за временнойинтервал принимают время, равное продолжительности рабочего цикла двигателя, причем для определения разностей между двумя парами периодовЗО периоды чередуют текущее значение нестабильности вращения определяют попервой разности между периодами Т;и Т и второй разности между пеРиодами Т, и Т )корректируют первую разность умножения на величину Г; , О 5 (Т,Т, ) где Т - период; 1 - номер -го периода, и определяют приведенное текущее значение нестабильности путем 5 О деления текущего значения нестабильности, вычисленного путем вычитанияоднои корректируемой разности издругой, на произведение трех последовательных периодов Т , Ти Т1 155 В качестве текущих значений нестабильности можно использовать модульполученных при их определении величин,Изобретение касается автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания.Известны способы определения не стабильности вращения двигателя внутреннего сгорания путем измерения продолжительности каждого рабочего цикла двигателя и вычисления текущего значения нестабильности вращения коленчатого нала как разности величин периода вращения, определяемых в течение двух соседних рабочих циклов.Известны также способы определения нестабильности вращения двигателя внутреннего сгорания путем измерения каждого периода вращения коленча того вала, получения первой и вто". рой разностей между двумя парами периодов, вычисления текущего значения нестабильности путем вычитания одной разности из другой,Однако известными способами нельзя производить регулирование двигателей на неустановившихся скоростных режимах при оптимизации различных . выходных параметров, Например, при описании способа регулирования двигателя внутреннего сгорания, в котором использован указанный способ определения нестабильности, показана лишь одна область его применения - ограничение обеднения смеси введением опорного уровня нестабильности в виде предельно допустимого порога нестабильности. Оптимизация других выходных параметров неустановившихся скоростных режимах не представляется возможной.Это объясняется тем, что Регуляр О ные измерения частоты вращения вала на неустановившихся скоростных режимах создают помехи, на фоне которыхнестабильность не всегда может бытьвыявлена. В наиболее типичном слу чае равноускоренного разгона двигате" ля помехи от регулярных изменений частоты вращения коленчатого валамогут оказаться соизмеримыми с полезным сигналом и даже могут егопревышать.Кроме того, принятая мера нестабильности получена иэ условия суммирования воздействия неравномерности давления газов в цилиндрах по каждому периоду вращения.Это приводит к тому, что неисправ ность одного иэ цилиндров может а вторую разность на величину3 1099При необходимости полученные текущие значения нестабильности усредняют по результатам нескольких вычислений.На фиг. 1 приведена зависимостьнестабильности А и количества рециркулируемых отработавших газов С откоэффициента избытка воздуха Ы (график а), зависимости удельного расхода топлива яе при отсутствии рецир Окуляции отработавших газов, удельного расхода топлива япри рециркуляции отработавших газов, уровняокислов азота Ю в отработавших газах при отсутствии Рециркуляции и 15уровня окислов азота НОпри рециркуляции отработавших газов от коэффициента избытка воздуха М (график б),где МО БО мОх 1 ф Х 2 ХК Бе мин ея мин -характерные точки кривых, На фиг. 2 20изображены в общем. виде зависимостинестабильности Ь от нагрузки Р(график а), изменения частоты вращения и и нагрузки Р во времени й(график б), изменение опорного уровня нестабильности Ь о и разностимежду текущим значением и опорнымуровнем нестабильности Ав щ,во времени С (график в). На фиг. 3показано линейное во времени возрастание частоты вращения и коленчатоговала (равноускоренный разгон) и ееприращение во времени г На фиг, 4приведена функциональная схема системы регулирования,35Способ реализуется при регулировании двигателя внутреннего сгорания, осуществляемого для оптимизации одного из выходных параметров.Оптимизируемыми выходными парамет 40 рами могут являться, например относительный уровень удельного расхода топлива (экономичность), относительный уровень токсичности отработавших газов (уменьшение уровня), относи 45 тельный уровень максимальной мощности величина коэффициента избытка воздуха Ы1Уровни оптимизации названы относи"50 теЛьными потому, что их абсолютная величина меняется с изменением частоты вращения вала и и нагрузки Р,В качестве регулируемых параметровмогут быть использованы, например, 55 цикловой расход топлива С или воздуха С, угол опережения зажигания 9, количество рециркулируемых отра 663 4ботавших газов С в процентах к их общему количеству.Можно, например, поддерживать минимальный относительный уровень удельного расхода топлива я =я е мцн (максимальная экономичность) при отсутствии рециркуляции отработавших газов путем регулирования циклового расхода топлива Сили воздуха С,2 (см. точку 1 на графике б на фиг. 1),Другим примером оптимизации является получение достаточно низкого относительного уровня окислов азота МО = Юн путем регулирования2рециркуляции отработавших газов при одновременном обеспечении минимального относительного уровня удельного расхода топлива де явК мнн (точка 2 на графике б на фиг. 1), Благодаря разбавлению смеси отработавшими газами расход топлива при этом не увеличивается по сравнению с первымслучаем оптимизации, т,е Век мин=Бе минИспользование способа основано натом, что при заданном относительномуровне оптимизируемого выходного параметра и фиксированных при этом значениях частоты вращения и и нагрузкиР нестабильность определенным образомсвязана с регулируемым параметром,например, с количеством рециркулируемых отработавших газов (см. графика на фиг. 1),Способ поясняется на последнемиз приведенных, выше примеров, т,е.на примере обеспечения уровня ИО р= ИО н , который соответствует минимальному относительному уровню удельного расхода топлива при рециркуляцииотработавших газов це Оеб минДля того чтобы обеспечить выполнение указанного требования в процессе эксплуатации двигателя добиваютсяего выполнения в процессе эксперимента и при этом получают, например, семейство зависимостей 1(Р) при разных фиксированных значениях частотывращения и = сопеС при К е Бей минек мина значит, и при ИО 1 = ИО (гра 2фик а на фиг. 2).Это семейство зависимостей реализуют в соответствующем постоянном запоминающем устройстве и по нему определяют для текущих значений и и Р (график б на фиг, 2) опорный уровень нестабильности Ь н при задан 1099663ном оптимизируемом параметре, т.е,при Кей 8 ей мин а значит, и при110 д = Ю(график в на фиг. 2),Вычисляют текущее значение неста 5бил ьно сти вращения ди р аз но стьмежду текущим значением и опорнымуровнем нестабильности Ь- Ь график в фиг. 2) и формируют по этойразности управляющий сигнал на ееустранение, которым воздействуют наорган регулирования рециркуляцииотработавших газов.При этом текущее значение нестабильности Ь стремится к опорномууровню 6, а количество рециркулируемых отработавших газов стремится к.величине, обеспечивающей указанный эффект,Определение по результатам измерения нагрузки Р и частоты вращения попорного уровня нестабильности 6 о,при заданном оптимизируемом параметРе т,е. при Кек алев мин фОхй == ИО ), на фиг, 2 поясняется сле2дующим образом,Моменты времени отмечены точками3-14. Нагрузка Р между точками 3 и4 убывает, между точками 4-6 сохраняется постоянной и после этого возрастает,Частота вращения и между точками3-5 сохраняется постоянной и равнойп=п, между точками 5-8 она уменьшается до величины п=п , между точками8 и 9 сохраняется постоянной и равнойп=п между точками 0-13 уменьшается и далее сохраняется постояннойи равной п=п,Определение опорного уровня не-.стабильности Лиллюстрируется построениями при помощи штриховых линий, В момент времени, отмеченный точкой 3, значение. нагрузки Р проектируется на зависимость семейства 6 Р), полученную при =и , т,е, в точку 3 (см. графики б и а. Из точки 3 опускают перпендикуляр на горизонтальную ось на графике а, и полученная на этой оси точка переносится на вертикальную ось Ь на графике в, Из этой точки проводится горизонтальная, а иэ точки 3 проводится вер" тикальная линии, и на их пересечении отмечается точка 3, которая является значением опорного уровня нестабильности в рассматриваемый момент времени. Аналогичные построения осуществляются в моменты времени, отмеченныеточками 4, 5, 8, 9, 13 и 14, При этомиспользуют соответствующие зависимости семейства К(Р), полученные прип=п п=п или п=п а значениягопорного уровня нестабильности Ь//на графике в отмечают точками 4ю5 , б , 3 и 14 соответственно,Моменты времени, отмеченные точками б, 7, 10, 11 и 12, характерны тем,что действительные значения частотывращения и не равны ни одному из значений, при которых получены зависимости семейства Ь (Р) на графике а.В эти моменты используют ту зависимость, которая получена при частотевращения, ближайшей к ее действительному значению. В соответстзии с этимв момент, отмеченный точкой б, используют зависимость, полученнуюпри п=п, в моменты, отмеченные точками 7, 10 и 11 - зависимость, полученную при п=п, а в момент, отмеченный точкой 12 - зависимость,полученную при п=в,. Значения опорного уровня нестабильности, полученные в эти моменты, отмечены на графий/ Ике в точками б , 7 , 10 , 11 и 12а соответствующие им промежуточныеточки на графике а отмечены точками6 , 7 , 10 , 11 и 12 . Значенияопорного уровня нестабильности в этимоменты можно получить и другими методами, например интерполяцией,Принятая в данном способе меранестабильности вращения позволяетпри вычислении текущего значениянестабильности устранить влияние регулярных изменений частоты вращенияв случае наиболее распространенного.на практике равноускоренного разгонадвигателя, т.е, при линейном возрастании частоты вращения во времени,Зто относится и к равнозамедленномувращению, поэтому с учетом возможности .аппроксимации любого законаизменения частоты вращения линейнымиотрезками можно утверждать, что устраняется влияние регулярных изменений частоты вращения п и в любом скоростном режиме двигателя, включаянеустановившиеся скоростные режим.,Причиной нестабильности неравномерности) вращения коленчатого вала10996 2 ц (1+21ч.А 1 Л сР - 2 Й Д2 ц 1 2 ц(1 т 2) 2 ц (1 сМ 2 н(1 фй 2 ц (+3)(и.,1. сю а2 ц2" (1 И) Л 1 2 В(1 ф 11 ь 2 Я 3 40 г Тз 50 ТТ;, -Т аТ;,на,Указанная неравномерность суммируется по соседним интервалам времени,В данном способе неравномерность давлений суммируют по интервалам времени, равным рабочим циклам двигателя т.е, по двум периодам вращения. Это позволяет в максимально возможной степени снизить ложный сигнал нестабильности при неисправности одного из цилиндров двигателя. О /,Цля возможно большего сокращения времени измерения нестабильности вращения суммирование давлений в данном способе производится по соседним интервалам времени, каждый из ко торых равен продолжительности рабочих циклов, но при условии, что отсчет каждого интервала начинается с отсчета каждого очередного периода вращения, т.е. второй период преды дущего рабочего цикла является первым последующего.Нестабильность вращения является следствием неравномерности суммарных значений давлений в цилиндрах от 25 одного принятого выше интервала времени к другому.Для аналитического вывода выражения для текущего значения нестабильгде А- неравномерность (нестабильность) суммарного (среднего за рассматриваемый временной интервал)давления за два соседних интервалавремени,поскольку при сложении и умножениипериодов можно считать, что Таким образом, получено выражениедля нестабильности вращения вала,которая пропорциональна неравномерности давления газов в цилиндрах иименно этой неравномерностью вь зва 63 8ности вращения запишем уравнение мо-. ментов двигателя в дифференциальной ь ЮМ. Ю - 3 - - 221 2 Д - с 31 с 3 1 с 3 с с 31 где М - крутящий момент двигателя; У - внешний момент сопротивления;1 - момент инерции; Я - угловая частота вращения коленчатого вала; С - угол поворота коленчатого вала.Интегрируя в течение одного интервала времени, равного рабочему циклу двигателя, т,е, сумме двух соседних периодов вращения, получим Разница результатов, полученных для двух соседних интервалов времени, каждый из которых равен продолжительности цикла, но начинается со второго периода предыдущего цикла, для левой части предыдущего равенства при постоянной нагрузке, т,е, при 1 ц = сопя,равна Правая часть рассматриваемого ра-венства для двух соседних интерваловвремени является нестабильностью(неравномерностью вращения вала ии равна Коэффициент пропорциональности роли не играет, поэтому нестабильность вращения может быть записана(Т 1 мЙ- (Т 1 Тэ)1 Т; Выражение (1) может быть использовано только на установившихся скоростных режимах двигателя. На неустановившихся скоростных режимах и, в частности, в наиболее типичном(3) 1 лф Гя с 1 1Т Т 1 рег,случае равноускоренного разгона двигателя помехи от регулярных изменений частоты вращения коленчатоговала могут оказаться соизмеримымис полезным сигналом и даже могутпревышать его,Если влияние регулярных изменений не будет ликвидировано, то при вычислении текущего значения нестабильности . по соотношению (2)они будут восприняты как дополнительная нестабильность,(Т( ф-Т 3) реГ Т Тэ Т 12й 1= где (Т Т э) ре. ( ф ) р 93 разности периодов, обязательные толь" ко регулярным изменениям, а (ТТ ) и (Т; Т ) - Разности перно дов, обязанные нестабильности вращения,Влияние регулярных изменений, отраженное первым слагаемым, т,е, 40 первой дробью выражения (3), ликвидируется, поскольку эта дробь обращается в нуль. 1 1 где п = - ,", и. = - ; и,Т фз Т ф 2 Т)31ТсРавенство нулю последнего выражения объясняется тем, что вычитаемые друг из друга дроби равны одному и тому же тангенсу угла наклона пряДля устранения указанных помех в случае равноускоренного разгона двигателя вычисление текущего значения нестабильности можно производить в соответствии с соотно- шением В этом случае общее изменение частоты вращения отражается кажущейся нестабильностью и определяется бы соЗто можно показать при помощи но- строений фиг. 3 с учетом того, что при анализе первой дроби (причем только первой дроби) в операциях сложения, умножения и деления периодов не учитываются их приращения из-за нестабильности в связи с малостью приращений по сравнению с перио-, дамии чтопо осиабсцисс Ниг.3 отложены пероиды только регулярных измерений,Преобразуем анализируемую дробь таким образом, что получим 11 э 11 О, - П- :О мой, отражающей равноускоренный разгон (см, Ниг, 3),Таким образом, для рассматриваемого случая равноускоренного разгона двигателя первая дробь, т.е. первое слагаемое выражения (3), обращается в нуль, значит устраняется влияние регулярных изменений частоты вращения, и выражение (2) характеризуетляемая соотношениями (4), (5) и (6),удобна тем, что получается сравнительно простой вычислитель текущегозначения нестабильности, так как отсутствует необходимость в операцииделения на Т , Т , Т, , Недостаток+1ее связан с необходимостью полученияи использования существенно разныхзависимостей семейства(Р), пока Озанных на графике а см. фиг, 2.Этим обуславливается сложность схемы и конструкции постоянного запоминающего устройства, в котором реализуется указанное семейство зависимостей, и устройства, обеспечивающего получение экспериментальных зависимостей,Система регулирования, в которойнестабильность определяется по соотношениям (2)(7) и (8), имеет болеесложный вычислитель текущего значениянестабильности, чем в предыдущем случае, в связИ с необходимостью производить операцию деления на Т, Т2511+1 )Т, Но н этом случае нестабильностьпрактически может не зависеть от периода Т, а значит, и от частоты вращения и. Например, с уменьшениемпериода резко уменьшается числитель, Зоно столь же резко уменьшается и знаменатель соответствующих выражений,В случаях, когда это действительнонаблюдается, вместо семейства зависимостей Ь (Р) применяют всего однузанисимость(Р), что определяетупрощение схемы и конструкции постоянного запоминающего устройства ипроцесса получения экспериментальныхзависимостей. ЩУпрощенная функциональная система регулирования двигателя, в которой использован предлагаемый способ, иллюстрирующая функциональные связи вычислителя текущего значения нестабильности, составлена применительно к рассмотренному случаю регулирования рециркуляции отработавших газов с целью снижения уровня окислов азота в отработавших газах при минималь ном удельном расходе топлива.Система содержит двигатель 15, датчик 16 врашения коленчатого вала 7, датчик 18 разрежения во входном коллекторе ВМТ (верхней мертвой точ ки) одного иэ цилиндров, блоки измерения периода вращения 19, измерения нагрузки 20, формирования опорного уровня нестабильности 21, вычислитель текущего значения нестабильности 22, блок формирования управляющего сигнала 23, электромагнитныйклапан рециркуляции отработавших газон 24,Система работает следующим образом.С датчика частоты вращения 16 сигналы поступают в блок измерения нагрузки 20 и в блок формирования опорного уровня нестабильности 21. Попоступившим на вход блока 20 сигналам определяют значения нагрузки Р,которые поступают в блок формирования опорного уровня нестабильности21 В этом блоке размещено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ),в котором реализовано семейство зависимостей А (Р) или одна зависимость(Р). По поступившим в блоксигналам, характеризующим частотувращения и и нагрузку Р см. графикб на фиг. 2), и зависимостям Р, полученным при заданном оптимизируемомвыходном параметре, определяют опорной уровень нестабильности 6, (см,фиг. 21 .При помощи датчика 18 ВМТ в блоке19 измеряют каждый период вращениякопенчатого вала, По результатамэтих вычислений, поступающим в вычислитель 22, производят вычислениетекущего значения нестабильности посоотношениям (4) или (2),Вычисленное текущее значение нестабильности поступает в блок формирования управляющего сигнала 23, в который поступает также значение опорного уровня нестабильностиоп с блока 21. В блоке 23 вычисляют разность между текущим значением и оиорным уровнем нестабильности Ь - см. график б на фиг. 2 и формйруют по этой разности управляющий сигнал на ее устранение.Устранение этой разности происходит потому, что управляющий сигнал так воздействует на электромагнитный клапан регулирования рециркуляции отработавших газов 24, что текущее значение нестабильности вращения коленчатого нала днигателя 15 стремит ся к опорному уровню нестабильности Ь , а разность-стремится к нулю (отрицательная обратная связь, 15 1Использование способа позволит снизить уровень окислов азота в окружающей среде при одновременном обеспечении высокой экономичностидвигателя,Способ обеспечивает также коррекцию работы карбюратора, при помощи 099663 16которой осуществляют более точную оптимизацию выходных параметров двигателей (поддержание определенного значения коэффициента избытка воздуха, минимальной токсичности отработавших газов, максимальной экономичности и т,п,), чем при некорректированном карбюраторе