Устройство для оценки детонации в двигателе внутреннего сгорания

(19) (1 397 СПУБЛИМ 15/О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОМУ С ЕЛЬСТВ Н АВТ читатель 12, схемуизменении частоты сравнения, П ения коленча о валаие средормализа, кото чине измене ыходе сум е сигналателя 12,ния авен матора-вычитафициент усиле ржения постоянного ток.к. его коэф 1 для напряТ.обр. устау сигналамия остается иост новленнаяна входе сх неизменной емы сравне Ввиду тог мматора-вычто сигналателя 12 с выхода превышае нного значередневыпр ния нормализованног сигнала, то на выхо е ам е схемы 1азывающийателя внуф-лы, 6 ил тствует сигнал, у на наренне;,ие детонации дви сгорания. 1 з.п. г ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ДЕТОНАЦИИВ ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(57) Изобретение позволяет повыситьточность оценки детонации. Устр-восодержит датчик 1 вибрации, блок 2нормализации, усилители 3,5, детектор 4, источник 6 напряжения, детектор 7, схему 8 выделения среднегоуровня сигнала, аттенюатор 9, схему10 выделения амплитуды сигнала, источник 11 напряжения управления величиной разности сигналов, сумматор-вывигателя происходит изменеевыпрямленного значенияванного по амплитуде сигнаое вызывает равное по вели,1Изобретение относится к машиностроению и может быть иСпользованодля оценки дЕтонацни при испытанияхФдвигателей внутреннего сгорания,Цель изобретения - повышение точности оценки детонации.На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства; 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); навходах схемы сравнения (в); на выходе схемы сравнения соответственно наМалых и больших частотах вращенияколенчатого вала (г); на фиг, 3схема сумматора-вычитателя: на фиг.4 -то же, вариант; на фиг. 5 - схемадетектора амплитудных значений сигнала; на фиг. 6 - схема усилителяпеременного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи,Устройство (фиг. 1) содержит вклю ченные последовательно датчик 1 вибрации, блок 2 нормализации амплитудыпеременного сигнала, выполненный вФиде усилителя 3 переменного сигналас изменяемым коэффициентом передачи,подключенного к датчику вибрации ипоследовательно связанного с детектором 4 амплитудного значения сигнала,интегрирующим усилителем 5 сигналарассогласования и источника 6 напряжения управления амплитудой перемен 35ого сигнала подключенного к второУму входу интегрирующего усилителя 5,ыход которого подключен к другомуходу усилителя 3, к выходу последнео подключен вход детектора 7, выходкоторого подключен к схеме 8 выделения среднего уровня сигнала, и аттенюатор 9, связанный со схемой 10 выделения амплитуды сигнала, подключенной совместно со схемой 8 выделенияи источником 11 напряжения управлениявеличиной разности сигналов к тремвходам сумматора-вычитателя 12. Выходы сумматора-вычитателя 12 и .схемы 8 выделения подключены к входамсхемы сравнения 13.Датчик 1 вибраций, в первом случае,может представлять собой датчик вибраций резонансного типа, резонанснаячастота 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 сигналапо амплитуде. Детектор 4 амплитудныхзначений сигнала выдает сигнал, пропорциональный наибольшим значениямамплитуды импульсов фонового шума,поступаемого с усилителем 3 переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи. Время хранения амплитудного значения сигнала выбрано таким, чтобы влияние изменения частотыследования импульсов фонового шумапри 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 получающийсясигнал рассогласования и управляетусилением усилителя 3 переменногосигнала с изменяемым коэффициентомпередачи таким образом, чтобы сигналрассогласЬвания был возможно меньшим.В результате сигнл на выходе блока 2нормализации 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. ОНормализованный по амплитуде сигнал выпрямляется детектором 7 и одновременно поступает в схему 8 выделения среднего уровня, а через аттенюатор 9 - в схему 10 выделения амплиту 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-ныдитателя 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 ЗО сумматора-выдитателя 12. На вычитающий вход сумматора-выдитателя 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 О плитуде сигнала с амплитудным изменением сигнала (ослабленной огибающей нормализованного по амплитуде сигнала) и вычитание напряжения постоянного тока, величина которого устанав линаетсяв зависимости от требуемой разности, соответствующей определенному уровню детонации двигателя, между средневыпрямленным значением нормализованного по амплитуде сигнала и выходным сигналом сумматора-выдитателя 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.11 рн 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. 2 а). Блок 2 нормализации амплитуды переменного сигнала осуществляет нормализацию входного сигнала по амплитуде и на его выходе появляется сигнал, изображенный на фиг. 2 б.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. 2 в.Когда сигнал с выхода сумматоравыдитателя 12 достигает по уровню сигнал с выхода схемы 8 выделения среднего уровня сигнала, на выходе схемы сравнения 13 появляется перепад напряжения, изображенный на фиг. 2 г, 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 ичто данное значение отношения постоянно при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, определение уровня детонации при известном для конкретного типа двигателя значении отношешя амплитуд импульсов осуществляется путем подачи соответвующего значения напряжения постоян- ного тока на вычитающий вход суммато ра-вычнтателя 12 с источника напряже - ния управления величиноц разности сигналон 31, обеспечивая этим необходимую величину разности сигналов на входах схемы 13 сравнения, Выбор величины напряжения постоянного тока Б, необходимого для обеспечения требуемой разности сигналов на входе схемы 13 сравнения, осуществляется из выражения Пн =Он,/К, где К - зна чения отношении амплитуд импульса при детонации к амплитудам импульсов фонового шума, соответствующее конкретным уровням детонации; Цнь, - величина напряжения постоянного тока, кото 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 соответстВует разность сигналов на ее Входе, а также на все последующие Уровни детонации в возрастающем порядке. В случае определения неизвестного45 уровня детонации необходимо последовательно изменять напряжение постоянного тока на вычитающем входе сумматора-вычитателя 12 до начального срабатывания схемы 13 сравнения. По зна О чению отношения напряжения Б ц к напряжению Пи , при котором сработала схема 13 сравнения, определяется конкретный уровень детонации двигателя.Один из возможных вариантов схем 55 . ной реализации устройства для обнаружения и определения уровня детонации двигателя внутреннего сгорания без датчика 1 вибраций изображен нафиг. 3.Операционный усилитель 14 с резисторами 15 - 18 конденсаторами 19 и 20и полевым транзистором 21 составляютусилитель 3 (фиг, 1) переменного сигнала с изменяемым коэффициентом передачи, коэффициент передачи которогодля переменного сигнала изменяется,за счет использования на входе управляемого делителя, состоящего из резистора 17, конденсатора 20 и полевоготранзистора 21. Сопротивление каналаполевого транзистора 21 изменяетсяпод воздействием управляющего напряжения, поступающего на. затвор. Постоянный коэффициент усилителя переменного сигнала соответствует отношениюсопротивления резистора 16 к сопротивлению резистора 15 при условии,что емкостное сопротивление конденсатора 19 много меньше сопротивлениярезистора 15,Резистор 18 является сопротивлением нагрузки для.входного сигнала,Через него также поступает напряжениесмещения нулевого уровня, формируемого резистивным делителем, состоящимиз резисторов 22 и 23, при использовании однополярного питания всего устройства, Конденсатор 24 являетсяфильтрующим.Выход операционного усилителя 14одновременно соединен с положительным входом операционного усилителя 25,который совместно с диодом 26 составляет детектор 7 (фиг1), и положительным входом операционного усилителя 27, образующего совместно с диодом28, конденсатором 29 и резистором 30детектор 4 (фиг. 1) амплитудного значения сигнала. Время хранения амплитудного значения сигнала определяетсявеличиной емкости конденсатора 29 иего током разряда через резисторы 30и 31,Резистор 31, конденсатор 32 и операционный усилитель 33 образуют интегрирующий усилитель 5 (фиг, 1) сигналарассогласования, постоянная временикоторого значительно больше времениразряда конденсатора 29. На положительный вход операционного усилителя 33 поступает напряжение постоянного тока с регулируемого резистивногоделителя, состоящего из резисторов34 и 35 иобразующие совместно с конденсатором 36 источник 6 (фиг. 1) на 1397777пряжения 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 вующим на положительном входе операционного усилителя 33 и определяющее амплитуду нормализованного по амплитуде сигнала. В результате срав" нения вырабатывается сигнал рассогла. 15 сования, Имеющий положительное приращение, который при интегрировании вызывает уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя 33. Так как напряжение на выходе операционного 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 напряжения на затворе вызывает уменьшение сопротивления канала сток-исток полевого транзистора 21 и на вход опе. 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, составляющие схему 10 (фиг. 1) выделения амплитудного изменения сигнала. Сопротивление каждого из резисторов 38, 37,55 Г41 выбрано таким; что на конденсатор 39, емкость которого значительно больше емкости конденсатора 40, формируется 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 входк резистивному делителю, состоящему из резисторов 50 и 51, которые сов- местйЬ с конденсатором 52 образуют источник 11 напряжения управления величиной разности сигналов (фиг,1), Так как коэффициент усиления сумматора-вынитателя 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 46 . к 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 постоянФ ного 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 9торе и определяется отношением суммысопротивления резисторов 60 и 62 ксопротивлению резистора 60 при условии, что емкостное сопротивление конденсатора 63 для переменного сигналамного меньше сопротивления резистора 60. Включение данного вариантасумматора-вычитателя в схему, изображенную на фиг. 3, осуществляется следующим образом: контакт 65 подключается к конденсатору 39, контакт 66 -к точке соединения резисторов 50 и 51,контакт 67 - к положительному входукомпаратора 53, а контакт 68 - к точке соединения резисторов 37 и 41 иконденсатора 40.Возможный вариант детектора амплитудного значения сигнала, обеспечивающего аналогичные параметры, изображен на фиг. 5. Операционный усилитель 69,.имеющий единичное усилениеи включенный в общую цепь обратнойсвязи операционного усилителя 70,предотвращает перегрузку операционного усилителя 70, когда амплитудавходного сигнала меньше напряженияна конденсаторе 71. В этом случае диод 72 проводит и замыкает цепь обратной связи для операционного усилителя 70Диод 73 является выпрямляющим.Время хранения амплитудного значениясигнала определяется величиной емкости конденсатора 71 и током его разряда через резистор 74. Включение данного варианта детектора амплитудногозначения сигнала в схему, изображенную на фиг. 3, осуществляется следующим образом: контакт 75 подключаетсяк выходу операционного усилителя 14,контакт 76 - к точке соединения резисторов 22 и 23, контакт 77 - к резистору 31,Возможный вариант усилителя пере 45 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 реУ55 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, состоящийиз резисторов 84 и 85 обеспечиваетна истоке полевого транзистора 80 напряжение постоянного тока, котороеравно напряжению отсечки данного полевого транзистора и наибольшему напряжению, подаваемому на затвор. Резистор 86 предназначен для ограничения прямого тока затвора полевоготранзистора 80, когда напряжение назатворе больше напряжения на истоке,При увеличении амплитуды сигнала навыходе операционного усилителя 78,напряжение на затворе полевого транзистора 80 уменьшается. Под воздействием положительного напряжения наистоке полевой транзистор 80 начинает закрываться, увеличивая этим сопротивление канала, сток-исток, В результате коэффициент усиления операционного усилителя 78 уменьшается, Приуменьшении 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.З 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 выделения среднего уровня сигналов, схему сравнения, а также аттенюатори 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 содержит5 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 О 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, подключенного 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.Составитель А.АрисТехред М.Ходанич . ректор М.Шарош Редакто атрушева аз 226 5 ул, Проектная, 4 оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужг раж 847 дарственного изобретений Ж, РаушВНИИПИ Госу по делам113035, Москва Подписное комитета СССР открытий кая наб., д.