Фазоизбирательное устройстводля двигателя внутреннего сгорания

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯк ьетоесиомю свидетельству Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 03.0579 (21) 2762455/25-Обс присоединением заявки Ио(23) ПриоритетОпубликовано 2302,81.,Бюллетень М 7Дата опубликования.описания 23, 02, 81 Р 1)Р( 3 6 О 1 М 15/00 Государствеииый комитет СССР ио делам изобретений и открытий(54) ФАЗОИЗБИРАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯИзобретение относится к техничес кой диагностике машин, в частности двигателей внутреннего сгорания и предназначено для синхронизации работы измерительных трактов диагностических систем при измерении различных параметров диагностическихсигналов .Известно фаэоизбирательное устройство для двигателя внутреннего сгорания (ДВС), выполненное в виде механических контактов в цепи регистрирующего прибора Подвижный контакт механически связан с распределитель. ным валом двигателя, а неподвижный 15 контакт снабжен регулировочным винтом для возможности его дополнительного поворота на любой .заданный угол. Замыкание контактов осуществляется с помощью кулачка, имеющего 20 лыску. Величина лыски выбирается в зависимости от требуемой длитель" ности пропускания сигнала 11. Недостатками такого фазаизбиратель 25 ного устройства являются погрешность измерения, обусловленная износом механических сопряжений устройства, дополнительная погрешность, вызван" ная искажением пропускаемого сигнала 30 иэ-за дребезга замыкаемых механических контактов и другие.Известны также фазоизбирательные устройства, содержащие датчик частоты вращения, формирователь испульсов, счетчик, выходы которого через переключатели подключены к входам дешифратора ",начало строба" и дешифратора "конец строба", и треггер управления ключом измерительного тракта 2 .Недостатком такого фазоиэбирательного устройства является низкая раэрещающая способность, равная числу импульсов, формируемых датчиком частаты вращения, за цикл.Известны фазоиэбирательные устройства для двигателя внутреннего сгорания, содержащие датчик верхней мертвой точки (ВМТ; первый формирующий каскад, первый и второй счетные триггеры, цифровой измеритель отношения временных интервалов, счетчик импульсов и блок управления, причем датчик ВМТ через первый формирую" щий каскад подключен к первому счетному триггеру; выходы которого подключены к измерителю отношения вре-. менных интервалов со счетчиком им-. пульсов на выходе, выход последнего подключен к входу второго счетногс80 7112 4 мй к,З ыа Яд ИивЗ Наи Составитель Н. ПатрахальцевШандор Техред Н. Бабурка Корректор Г. Реше едак Заказ 27 исное о 4 лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна 64 Тираж 918 НИИПИ Государственнопо делам изобретен 13035, Москва, Ж,П омитета СССР открытий шская наб дтриггера и ко входу блока управления,выходы б .,",а управления подключенык устано-очным входам первого счетного триггера и счетчика импульсов31,Однако в описанном устройствеквантование цикла работы двигателяфазовыми отметками осуществляетсяавномерно, что при наличии неравноерности вращения коленчатого валаприводит к дополнительной погреш ности фазоиэбирания и .иэмерейия фазовых параметров диагностическихсигналов и является. недостатком этогоустройства,Цель изобретения - повышение точности фазоизбирания (ФормированияФазовых отметок) фазоизбирательнымустройством при наличии неравномерности вращения коленчатого вала двигателя.Указанная цель достигается тем, 20что устройство дополнительно содержитдатчик частоты вращения, второй Формйрующий каскад, генератор образцовой частоты, суммирующий счетчик,вычитающий счетчик, делитель частоти, первый и второй регистры, вентили переписи кода, первый и второйформирователи импульсов, триггер,первую, вторую и третью схеьы совпадения и первый и второй инверторы, Зопри этом выход датчика частоты вращения подключен к входу второго формирующего каскада, выход которогосоединен с входами первого формирователя импульсов и первого инвертора, выход последнего подключен к первым входам первой и второй схем совпадения, вторые входы которых соединены с выходом генератора образцовой частоты, выход первой схемы совпадения подключен к первому входу 40вычитающего счетчика, второй входкоторого соединен с выходом второгоинвертора, вход которого подключенк выходу первого Формирователя импульсов, к первому входу третьей схеию совпадения и к первому входувторого регистра, вторые входы последнего соединены с выходами вычитанвфего счэтчика, а выходы - с первымивходами вентилей переписи кода, 50вторые входы которых подключены к выходу измерителя отношения временныхинтервалов, а выходы - к дополиительному входу последнего, третьи входывычитающего счетчика соединены с выходами первого регистра, вторые входы которого подключены к выходамсуммирующего счетчика, первый входпоследнего соединен с выходом делителя частоты, вход. которого подключенк выходу второй схемы совпадения и 66к первому входу триггера, выход последнего соединен с вторым входомтретьей схеью совпадения, выход которой подключен к второму входу суммирующего сметчика и к первому вхо ду первого регистра, второй вход триггера соединен с выходом второго формирователя импульсов, вход которого подключен кпрямому выходу первого счетноготриггера.На фиг. 1 изображена блок-схема Фазоиэбирательного устройства, на Фиг. 2 - блок-схема измерителя отношения временных интервалов, на фиг. 3 - временная диаграмма его работы;,на фиг, 4 - график изменения угловой скорости вращения коленчатого вала эа цикл; на фиг. 5 - временная диаграмма работы измерителя отношения временных интервалов с учетэм текущей неравномерности вращения коленчатого вала.фаэоиэбирательное устройство содержит датчик 1 ВМТ, первый Формирующий каскад 2, первый счетчный триггер 3, выходы которого соединены с входами а и 6 измерителя 4 отношения временных интервалов, счетчик 5, второй счетный триггер 6, блок 7 управления, датчик 8 частоты вращения, второй Формирующий каскад 9, первый Формирователь 10 импульсов, второй и первый инверторы 11 и 12, генератор 13 образцовой частоты, первая, вторая и третья схема совпадения 14, 15 и 16 соответственно, триггер 17, делитель 18 частоты, второй формирователь 19 импульсов, вычитающий счетчик 20, первый регистр 21, суммирующий счетчик 22, второй регистр 23 и вентили 24 переписи кода. Измеритель 4 отношения временных интервалов включает в себя генератор 25 опорной частоты, делитель 26 опорной частоты, счетчик 27 поделенной частоты, вентили 28, регистр 29, схему 30 сравнения кодов, счетчик 31 опорной частоты, Формирователь 32 импульсов, формирующий на своем выходе короткие импульсы по переднему фронту сигнала на его входе,формирователь 33 импульсов, формирующий на своем выходе с задержкой короткие импульсы по заднему Фронту сигнала на его входе.Устройство работает следующим образом.Импульсы с выхода датчика 1 ВМТ поступают через первый Формирующий каскад 2 на вход первого счетного триггера 3 и управляют последним так, что на входы О и о цифрового иэмерителя 4, поступают временные интервалы длительностью Т. Измеритель отношения временных интервалов, выполняющий Функцию умножителя частоты, вырабатывает на период Т строго определенное число импульсов (Фаэовых отметок) следующим образом. Вначале осуществляется измерение длительности цикла посредством счета импульсов частотысчетчиком 27 в течение 1-го цикла - Т ). По окончании -го цикла по переднему фронту сигнала на его входе Формирователь 32формирует импульс, поступающий науправляющие входы вентилей 28.В результате в регистр 29 переписывается из счетчика 27 код числаН-цифровой эквивалент длительностицикла. Счетчик 27 через некотороевремя задержки, необходимое для надежной переписи его содержимого врегистр 29, устанавливается в состояние "0" импульсом с выхода фо мирователя 33.В течение последующего цикла Тц+счетчик 27 снова заполняется импульсами частоты 1, а в счетчике 31происходит счет импульсов опорнойчастоты ,значение которой в 720раз больше значения частоты з, чтообеспечивает разрешающую способностьФазоизбирательного устройства в 1градус. При этом н счетчике 31 завремя Т= Тдолжно бы бытьзаписано число ймпульсов М 720, таккак К = 7201. Однако этого не происходйт, потому что схема 30 сравнения срабатывает всякий раз, когдачисло импульсов в счетчике 31 становится равным Й Йоду числа записанному в регистре 29) при этом в устройстве, рассматриваемом в качествепрототипа, счетчик 31 импульсами свыхода схемы 30 устанавливается всостояние "0" и затем снова заполняется импульсами частоты У . За время Тц,схема 30 срабатывает 720 раз,и на выходе измерителя отношения временных интерналон за цикл получается 720 импульсон-фазовых отметок.Таким образом, происходит формирование Фазовых отметок и на последующихциклах. При рассмотрении выше способаформирования фазовых отметок циклквантуется фазовыми отметками равномерно, что при наличии неравномерности вращения коленчатого вала приводи= к дополнительной погрешностифазоизбирания и измерения Фазовыхпараметров диагностических сигналовпорядка + 1,Как известно, в течение циклаработы двигателя угловая скоростьвращения нала не остается постоянной.Для ДВС неравномерность вращениявала у фмох юЖ о. 00содостигает 2 и более в зависимости от нагрузки. При этом частотаколебательной составляющей угловой скорости определяется числом цилиндров ДВС (так для 4-х цилиндроного ДВС за 1 цикл колебательная составляющая угловой скорости составляет 4 колебания с амплитудой около 0,01 юс (фиг. 4),Для решения поставленной задачи в предлагаемом устройстве (фиг. 1) при формировании фазовых отметок осуществляется коррекция в соотнетствии с текущим значением неравномерности вращения вала. Для этойцелн цикл работы двигателя сигналамис датчика 8 частоты вращения разби"вается на отдельные участки - временные интервалы, а величина изнакускорения вращения вала на отдельных участках цикла определяется разностью между опорным и текущим временными интервалами.В качестве опорного выбираетсясредний за цикл временной интервал.Определение кода среднего временногоинтервала осуществляется н суммирующем счетчике 22, на вход которого в15 течение цикла работы ДВС поступаютимпульсы, частота которых меньшеобразцовой частотын столько раз,сколько временных интервалон, формируемых сигналами с датчика 8 часто 20 ты вращения, укладывается в одномцикле. В момент начала цикла, попереднему Фронту сигнала на прямомвыходе первого счетного триггера 3второй Формирователь 19 импульсов25 Формирует на своем выходе короткийимпульс, который устанавливает триггер 17 н состояние "1" на его ныходе. В результате третья схема 16совпадения оказывается разблокироЗр ванной по одному из своих входов.Однонременно с этим сигналы с датчика 8 с помощью второго Формирующегокаскада 9 преобразуются в прямоугольные импульсы, формирующие временные З 5 н нтерналы По передним фронтамимпульсов на выходе каскада 9 первыйформирователь 10 формирует на своемвыходе короткие импульсы. Первыйпосле начала цикла импульс с выходаформирователя 10, поступающий на 40 один из входов схемы 16, проходит иаее выход.По переднему фронту этого сигнала, поступающего на перный вход первого регистра 21, в последний пере писынается код с выходов суммирующего счетчика 22, который затем позаднему фронту указанного выше сигнала, поступающего на его второйвход, устанавливается в состояние"0". По окончании импульса на выходе каскада 9 на выходе первого иннертора 12 появляется сигнал "1",разблокирующий схемы 14 н 15, навыходах которых появляются импульсы.образцовой частоты. При этом, первыйимпульс с выхода второй схемы 15 совпадения, поступающий на первый входтриггера 17, устанавливает выходпоследнего н состояние "0", блокируяпри этом третьи схему 16 совпадения.40 Импульсы с выхода второй схемы 15поступают на вход делителя 18 частоты и с его выхода поступают на счетный вход счетчика 22, н котором формируется код среднего за цикл нре менного интерзала. С началом следующего цикла описанный выше процесс повторяется. При этом код среднего (опорного) временного интервала переписывается из счетчика 22 в регистр 21, в котором он хранится в течение последующего цикла, а в счетчике 22 начинается формирование кода следующего среднего временного интервала, Код разности между текущим и опорным временными интервалами определяется н вычитающем счетчике 20, в который всякий раз перед началом очередного временного интервала по установочному входу записывается код временного интервала, принятого за опорный. При появлении на выходе каскада 9 импульсного сигнала, по переднему фронту последнего Формирователь 10 Формирует на своем выходе короткий импульс, по которому код текущей разности переписывается из вычитающего счетчика 20 в регистр 23, По оконч-нии импульсного сигнала на выходе Фоомирователя 10 на выходе иннертора 11 Формируетсясигнал .1 ф, по переднему фронту которого произнодится перепись кода из регистра 21 в счетчик 20, по установочному входу последнего. По окончании импульсного сигнала на выходе каскада 9 схема 14 раэблокируется сигналом с выхода инвертора 12, и на вход счетчика 20 начинают поступать импульсы опорной частоты, В результате в течение очередного временного интервала из содержимого счетчика 20 импульсами опорной час. тоты осуществляется вычитание кода текущего значения временного интервала. По окончании очередного временного интервала в счетчике 20 образуется код разности указанных выше временных интервалов, при этом разность со знаком "+" представляется в прямом коде, а со энаком "-" в дополнительном. Этот код по сигналам с выхода формирователя 10, поокончании каждого временного интервала, переписывается из счетчика 20 в регистр 23. Код, записываемый н регистр 23, поступает на. перные входы вентилей 24 переписи кода, на вторые входы которых поступают с выхода измерителя 4 фазовые отметки. При поступлении на вторые входй вентилей 24 импульсов фазовых отметок происходит запись кода, по дополнительномувходу Й измерителя 4 н счетчик 31 опорной частоты последнего. В зависимости от кода предварительнойустанонки этого счетчика, происходит соответствующее смещение момента срабатывания схемы 30.сравнения н измерителе 4 и тем самым смещение каждой следующей фазовой отметки относительно ее положения при равномерном кван. товании цикла. Таким образом, учитывается текущая неравномерность нра" щения вала и ее коррекция при Формировании Фазовых отметок. Код коррекции представляет собой величинуприращения периода следования фазовых отметок на данном участке циклапо сравнению с периодом следованияих на опорном и получается путем масштабирования кода разности временныхинтервалов получаемого в счетчике20, Коэффициент масштабирования определяется числом фазовых отметок наотдельном участке, ограниченным днуО мя последовательными импульсами свыхода каскада 9, и обеспечиваетсясоответствующим соотношением междуопорной частотой в измерителе 4 иопорной частотой генератора 13, ко 15 дирующей разность временных интервалон в счетчике 20,Рассмотрим работу устройства наконкретном примере, Объект диагностирования - 4-х цилиндровый ДВС, скоростной режим - ( -1500 об/мин, числоимпульсов с датчика частоты вращенияза оборот вала (число зубьев маховика) - 100, неравномерность вращенияколенчатого вала - 2.При вращении коленчатого вала зацикл наблюдаются (Фиг. 4) последовательные этапы ускорения ( 1,П,Ч,Ч(/)и торможения ( н, 1, Ч, а ) вращения,Рассмотрим работу устройства на этапе 1 (работа его на остальных этапахничем не отлйчается от рассматриваемого) .При заданных оборотах и числе зубьев маховика длительность цикла равна Т - 80 мс, а ее цифровой экни 35 валент, записываемый н регистр 29измерителя 4, равен М =Т Х =80 10 с2510+ "/с=2000, (так как опорнаячастота, выбрана равной 18 МГа поделенная частота= +/720 равна4 О 25 кГц), среднее значение периодаследования сигналов с датчика 8 частоты вращения равно Т ;400 мкс.Работа устройства йри осуществлении коррекции происходит следующимобразом.С началом очередного цикла происходит перепись кода среднего опорного временного интервала, определенного на предыдущем цикле, из счет.чика 22 в регистр 21, как это былоописано выше. Затем в счетчике 20производится измерение разности между длительностями опорного и текущихучастков цикла - измерение текущегозначения ускорения вала на отдельныхучастках цикла по отношению к опорному.Для соответствующей коррекции Фазовых отметок необходимо определитьвеличину изменения периода их следонабО ния на текущем участке по сравнению с периодом следования их на опорном участке цикла (эта величина зависит от значения текущего ускоренияи числа фазовых отметок, Формируемыхб 5 на отдельном участке цикла, и опре10 807112 40 45 50 55 60 65 деляется как частное от деления значения текущего ускорения на число фазовых отметок), Это делается ав" томатически - с помощью соответствующего выбора частоты импульсов кодирующих разность временных интервалов в счетчике 20. Для рассматриваемого примера, при разрешающей способности в 1 градус на участке цикла необходимо сформировать 360:100 - 3,6 Фазовых отметки. Опорная частота в изМерителе 4 отношений равна 18 МГц тогда частота импульсов ., кодирующих разность временных интервалов в счетчике 20, должна быть в о раз ниже Г (ь- число фазовых отметок на участке цикла) и равна 5 ИГц. Таким 1 э образом, результат измерения разности длительностей опорного и-го участков цикла будет представлять собой код коррекции - величину изме" нения периода следования фазовых от- Щ меток на 1+1 участке цикла, По окойчании каждой операции измерения разности временных интервалов, результат с выхода счетчика 20 переписывается в регистр 23. При этом каждая фазовая отметка, формируемая на выходе измерителя 4, поступает на вторые входы вентилей 24 и текущий код коррекции иэ регистра 23 переписывается по входу д измерителя 4 в счетчик 31 опорной частоты последнего. Нход Й измерителя 4 представляет собой вход предварительной установки счет-ф. чика опорной частоты последнего.Таким образом, следующая фаэовая отметка на текущем участке цикла будет сформирована саныче или позже, чем на опорном на величину где ЬТ- разность между опорным и -м временным интервалом, так как счет импульсов в счетчике опор-. ной частоты измерителя 4 начинается не с нуля, а с числа, записанного в него по входу бТак, на некоторых участках цикла (Т -Т 5) разность между дительностями опорного и текущего временных интервалов положительна и возрастает по мере увеличений ускорения вращения вала, При этом возрастает и код коррекции, в результате чего фаэовые отметки Формируются с более высокой частотой, чем на опорном участке цикла.Самая высокая частота следования фазовых отметок будет на 26-ом участке цикла, так как она будет опреде-ляться разностью межпу длительностями опорного и 25-го участков цикла, которая будет максимальной и равной для рассматриваемого случая:Т - Т 5 = 400 0,01 = 4 мкс,При этом код коррекции будет состав-. лять величину:К = 410 с 5 10 /с = 20 ф6На других участках цикла (Т -Т ) раэ" ность между опорным и текущйм временными интервалами отрицательна и уменьшается по мере увеличения ускорения вращения вала, При этом код коррекции. представляется в дополнительном коде. Это значит, что в счетчике 31 измерителя 4 (после введения кода коррекции) при поступлении на его вход числа импульсов равного числу единиц в прямом коде коррекции проиэойлет переполнение указанного счетчика и установка его в состояние "0", а затем при поступлении на его вход числа импульсов, равного Ичисло, записанное в регистре 29 измерителя 4) произойдет срабатывание схемы 30 сравнения измерителя 4 и будет сформирована очередная Фазовая отметка. Таким образом, на текущем участке цикла период следования фазовых отметок будет бо-. льше, чем на опорном.Коды коррекции и определяемые ими изменения периодов следования фазовых отметок на отдельных участках цикла при изменении угловой скорости (изза неравномерности вращения вала) в течение цикла по синусоидальному закону приведены в таблицеОсновная погрешность предлагаемого устройства характеризуется такими составляющими, как погрешность дискретности коррекции и погрешность от запаздывания коррекции (код коррекции на текущем участке цикла определяется величиной относительного ускорения вращения на предыдущем участке цикла) .Для рассматриваемого случая погрешность дискретности составляет л" " ЮОО100 ОО 0052000 -о Погрешность.от запаздывания коррекции определяется величиной приращения кода коррекции при переходе от одного участка цикла к другому (см. таблицу). Эта величина для рассматриваемого случая не превышает единицы. Поэтому эта составляющая погрешности составляетХ = - 1 оо= о,05%Следовательно, в предлагаемом устройстве погрешность формирования фазовых отметок и, следовательно, фаэоизбирания снижается более, чем на порядок, по сравнению с прототипом.фазовые отметки с выхода измерителя 4 поступают на вход счетчика 5, в который перед началом последовательности Фазовых отметок записывается число;где й - число фазовых отметок, Формируемых эа цикл,Й - число Фазовых отметок, соответствующих началу строба.После первого переполнения счетчика 5 импульсами с выхода измерителя4 в счетчик 5 записывается число:( = Му-(Я - Й )Я 1где К - число Фазовых отметок, соответствующих концу строба. В резуль 10тате на выходе триггера б в течениецикла работы двигателя появляетсяимпульс длительностью с переднийФронт которого соответствует фазеа задний- фазе У цикла. Следующий цикл работы устройства можетначинаться .либо автоматически по сиг.Малу второго переполнения счетчика5, либо по комадне, подаваемой навход фЗп" блока 7 управления. В блок7 по входу фП" вводятся числа МиЙц , а на вход "Зп" подается команда "Запуск", по которой триггер 3устанавливается в исходное состояние,соответствующее отсутствию сигнала на входе а измерителя 4, а в счетчик 5 записывается число Йц.Для синхронизации работы устрой-. ства блок управления 7 снабжен синхронизирующим входом С.Импульс с выхода триггера б может быть использован для управления ключамиизмерительных трактов различных параметров процессов, сопровождающих работу двигателя.Из описания принципа работы предлагаемого фаэоизбирательного устройства видно, что введение датчика частоты вращения, Формирующего каскада, генератора образцовой частоты, суммирующего и вычитающего счетчиков, регистра, вентилей переписи кода, четырех Формирователей импульсов, двух триггеров, трех схем совпадения и дополнительного входа в цифровом измерителе отношением временных интервалов йозволило повысить точность формирования фазовых отметок и, следовательно, Фаэоизбирания.ехоеэн оххдаоко одэ ццхон шО оо сф о. И эФормула изобретения Фазоиэбирательное устройство для двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик верхней мертвой точки, первый формирующий каскад, первый и второй счетные триггеры, цифровой измеритель отношения временных интервалов, счетчик импульсов и блок управления, причем, датчик верхней мертвой точки через первый формирующий каскад подключен к первому счетному триггеру, выходы которого подключены к измерителю отношения временных интервалов со счетчиком импульсов на выходе, выход последнего подключен к входу второго счетного триггера и ко входу блока управления, выходы блока. управления подключены к установочным входам первого счетного триггера и счетчика импульсов, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности при наличии неравномерности вращения вала, устройство дополнительно содержит датчик частоты вращения, второй формирующий каскад, генератор образцовой частоты, суммирующий счетчик, вычитающий счетчик, делитель частоты, первый и второй регистры, вентили переписи кода, первый и второй формирователи импульсов, триггер,первую, вторую и третью схемы совпадения и первый и второй инверторы, при этом выход датчика частоты вращения подключен к входу второго формирующего каскада, выход которого соединен с входами первого форми,рователя импульсов и первого инвертора, выход последнего подключен к первым входам первой и второй схем совпадения, вторые входы которых соединены с выходом генератора обраэцовой частоты, выход первой схемы совпадения подключен к первому входувычитанаего счетчика, второй вход которого соединен с выходом второгоинвертора, вход которого подключен5 к выходу первого Фомирователя импульсов, к первому входу третьейсхемы совпадения и к первому входувторого регистра, вторые входы последнего соединены с выходами вычитающего счетчика, а выходы - с первымивходами вентилей переписи кода, вто, рые входы которых подключен к выходу измерителяотношения временныхинтервалов, а выходы - к дополнительному входу последнего, третьи входы15 вычитающего счетчика соединены с выходами первого регистра, вторыевходы которого подключены к выходамсуммирующего счетчика, первый входпоследнего соединен с выходом делите.20 ля частоты, вход которого подключенк выходу второй схемы совпадения ик первому входу триггера, выход последнего соединен с вторым входомтретьей схеьы совпадения, выход ко 2 р торой подключен к второму входу суммирующего счетчика и к первому вкодупервого регистра, второй вход триггера соединен с выходом второго Формирователя импульсов, вход которогоЗО подключен к прямому выходу первогосчетного триггера.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 252686, кл. б 01 М 15/00 1968.2. Бухтиаров И. Д. Методическиевопросы диагноза двигателей внутреннего сгорания. - Труды СибВИМ,вып. 4, Новосибирск, 1968.3. Авторское свидетельство СССР40 В 446845, кл. 6 01 М 15/00, 1972.