Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: диагностика двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: упрощение и снижение трудоемкости экспертизы технического состояния двигателей в эксплуатационных условиях достигается путем того, что осуществляется косвенное определение индикаторных диаграмм цилиндров, не требующее установки специальных высокотемпературных датчиков и специальной головки блока цилиндров, а также повышается достоверность экспертизы за счет более точной идентификации данных и классификации состояний. Способ основан на непрерывном измерении в фазе текущих значений угловых ускорений коленчатого вала, генерировании функций инерционной составляющей ускорения, а также связывающей активные силы в цилиндре с крутящим моментом, выделении составляющей ускорения, отражающей рабочие процессы в цилиндре, вычисления косвенной индикаторной диаграммы цилиндра, сравнение ее с эталоном, присущим исправному нормальному двигателю, а также с зависимостью изменения этой диаграммы при изменении состояния двигателя классификации его состояний по степени их близости. Экспертная система включает систему для регистрации и обратки индикаторных диаграмм, содержащую датчики давления в цилиндрах, усилители с коррекцией нулевой линии, аналого-цифровые преобразователи, и датчик угловых меток с отметчиком оборотов, блок управления, пороговый триггер, блок ручного управления, приемник, электронно-вычислительную машину, цифровой индикатор, блок вывода, генератор тактовых импульсов, распределитель тактов, задатчик алгоритмов обработки, формирователь команд обработки, коммутатор, вычислительный блок и схему формирования импульсов коррекции, а также дополнительно введенные датчики угловых меток-зубьев, формирователь импульсов зубьев, элемент ИЛИ, датчик впрыска топлива, усилитель впрыска, второй пороговый триггер, двойной цифровой дифференциатор, цифровой дискриминатор знака, измеритель экстремума ускорений, запоминающее устройство ускорений, арифметическое устройство, генератор функций, блок идентификации, задатчик моделей процессов, блок классификации состояний, задатчик функций изменения параметров. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2078324
Класс(ы) патента: G01M15/00
Номер заявки: 94037900/06
Дата подачи заявки: 22.09.1994
Дата публикации: 27.04.1997
Заявитель(и): Сибирский физико-технический институт аграрных проблем СО РАСХН; Сибирский институт механизации и электрификации СО РАСХН
Автор(ы): Добролюбов И.П.; Савченко О.Ф.; Альт В.В.
Патентообладатель(и): Сибирский физико-технический институт аграрных проблем СО РАСХН; Сибирский институт механизации и электрификации СО РАСХН
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике, в частности к определению технического состояния путем измерения давления в цилиндрах поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатационных условиях.
Известен способ определения технического состояния ДВС путем нахождения зависимости индикаторного давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала [1] по измеренному крутящему моменту, основанный на функциональной зависимости составляющей крутящего момента, которая определяется рабочими процессами в контролируемом цилиндре, с давлением в камере сгорания этого цилиндра.
Недостатком известного способа является сложность, вызванная необходимостью установки в разрыв силовой цепи измерителей крутящего момента (динамометров).
Известен также способ определения технического состояния ДВС [2] путем определения индикаторной диаграммы, являющийся прототипом предлагаемого способа и заключающийся в том, что измеряют изменение кинетической энергии коленчатого вала в зависимости от изменения мгновенных значений скорости вращения в течение такта сжатия и сравнивают ее с эталонной зависимостью для исправного нормального двигателя. По известному уравнению связи определяют давление в цилиндре.
Недостатком известного способа являются сложность, вызванная необходимостью установки в разрыв силовой цепи измерителей энергии, низкая точность классификации технического состояния ввиду невозможности оперативного использования знаний об изменении измеряемого процесса в зонах нормального, допустимого и предельного состояний двигателя.
Известна система для регистрации и обработки индикаторных диаграмм [3] содержащая датчики давления в цилиндрах с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, датчик угловых меток с отметчиком оборота, блок управления, пороговый триггер, блок ручного управления, приемник, электронно-вычислительную машину, цифровой индикатор и блок вывода, причем выходы датчика угловых меток подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, третий вход которого соединен через пороговый триггер с выходом одного из усилителей, четвертый вход блока управления соединен с блоком ручного управления, пятый вход подключен через приемник к ЭВМ, первый вход блока управления подключен к первому входу цифрового индикатора и первому входу блока вывода, выход которого связан с ЭВМ, а второй выход блока управления соединен с управляющими входами аналого-цифровых преобразователей.
Недостатком данной системы является невозможность предварительной регистрации больших массивов последовательных индикаторных диаграмм при испытаниях двигателя в реальном масштабе времени на нестационарных режимах.
Известна также системе для регистрации и обработки индикаторных диаграмм [4] содержащая датчики давления в цилиндрах с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, датчик угловых меток с отметчиком оборота, блок управления, пороговый триггер, блок ручного управления, генератор тактовых импульсов, распределитель тактов, задатчик алгоритмов обработки, формирователь команд обработки, коммутатор, вычислительный блок, схему формирования импульсов коррекции, приемник, электронно-вычислительную машину, цифровой индикатор и блок вывода, причем выходы датчика угловых меток подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, третий вход которого соединен через пороговый триггер с выходом одного из усилителей, четвертый вход блока управления соединен с блоком ручного управления, пятый вход подключен через приемник к электронно-вычислительной машине, первый выход блока управления подключен к первому входу цифрового индикатора и первому входу блока вывода, выход которого связан с электронно-вычислительной машиной, а второй выход блока управления соединен с управляющими входами аналого-цифровых преобразователей, третий выход блока управления соединен с первым входом вычислительного блока, четвертый выход подключен к корректирующим входам усилителей через схему формирования импульсов коррекции и к первому входу формирователя команд обработки, второй вход которого соединен через задатчик алгоритмов обработки с выходом приемника, а третий вход с первым выходом вычислительного блока, второй выход блока управления соединен с первым входом распределителя тактов, второй вход которого подключен к генератору тактовых импульсов, а выход распределителя тактов соединен с четвертым входом формирователя команд обработки и управляющим входом коммутатора, остальные входы которого подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей, выход коммутатора соединен с вторыми входами блока вывода и вычислительного блока, третий вход которого подключен к выходу формирователя команд обработки, в четвертый вход к первому выходу блока управления, второй выход вычислительного блока соединен с вторым входом цифрового индикатора и третьим входом блока вывода; блок управления выполнен в виде формирователей сигналов угловых меток, оборота и начала цикла, формирователя команд управления, счетчика текущего угла, избирательного блока, делителя периода и элемента И, причем первый вход блока управления является входом формирователя сигналов угловых меток, выход которого соединен с входом делителя периода, а второй вход блока управления является входом формирователя сигналов оборота, вход которого соединен с первым выходом формирователя сигналов начала циклов, второй вход которого является третьим входом блока управления, а выход формирователя сигналов начала цикла подключен через счетчик текущего угла к выходу избирательного блока и первому входу формирователя команд управления, выход счетчика текущего угла является третьим выходом блока управления, выход делителя периода соединен с третьим входом формирователя сигналов начала цикла, вторым входом счетчика текущего угла, вторым входом формирователя команд управления, третий и четвертый входы которого являются соответственно четвертым и пятым входами блока управления, а первый выход формирователя команд управления подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу делителя периода, выход элемента И является вторым выходом блока управления, первым и четвертым выходами которого являются соответственно второй выход формирователя команд управления и выход избирательного блока; вычислительный блок выполнен в виде схемы выбора экстремума, измерителя периода, цифрового дифференциатора, блока вычисления среднего индикаторного давления и блока регистра параметров, причем третий вход вычислительного блока является первым управляющим входом регистров и первым входом схемы выбора экстремума, цифрового дифференциатора, измерителя периода и блока вычисления среднего индикаторного давления, выходы которых, а также первый и второй входы вычислительного блока подсоединены к информационным входам блока регистров, второй вход вычислительного блока является вторым входом схемы выбора экстремума, цифрового дифференциатора и блока вычисления среднего индикаторного давления, третьим входом которого является выход блока регистров, четвертый вход блока вычисления среднего индикаторного давления является первым входом вычислительного блока, а выход цифрового дифференциатора соединен с четвертым входом схемы выбора экстремума, второй выход которой является первым выходом вычислительного блока, второй выход и четвертый вход которого являются соответственно выходом и вторым управляющим входом блока регистров.
Недостатком указанной системы является сложностью ее применения в условиях эксплуатации, обусловленная необходимостью применения датчиков давления в цилиндрах двигателя. Это возможно осуществить только установкой взамен штатной специальной головки блока цилиндров с клапанами для установки датчиков давления. Кроме того, для известной системы характерна низкая точность и высокая трудоемкость при идентификации измеренных данных и отнесении двигателя к определенному классу состояний, так как эти операции осуществляются вручную.
Задача заявляемого технического решения упрощение, снижение трудоемкости и повышение точности классификации при определении технического состояния двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях.
Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет в эксплуатационных условиях упростить и значительно снизить трудоемкость экспертизы технического состояния двигателя путем косвенного определения индикаторных диаграмм цилиндров за счет исключения необходимости установки специальных датчиков давлений, работающих при высокой температуре, и специальной головки блока цилиндров. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет повысить достоверность определения технического состояния ДВС за счет более точной идентификации данных и классификации состояний. По сравнению с базовым объектом индицированием цилиндров с помощью датчиков давления трудоемкость определения технического состояния двигателя снижается в 8 10 раз.
Поставленная задача в способе решается путем того, что прокручивают двигатель на частоте вращения ниже минимальной холостого хода, непрерывно измеряют угловое ускорение коленчатого вала, определяют моменты перехода этого ускорения через ноль с минуса на плюс, находят угловые метки, ближайшие к указанным моментам перехода, которые принимают за условные верхние мертвые точки цилиндров, затем на частоте вращения, при которой предполагается определение индикаторных диаграмм цилиндров, прокручивают двигатель и измеряют амплитуду неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения коленчатого валаполностью нагружают двигатель на этой частоте и непрерывно измеряют угловое ускорение коленчатого вала, идентифицирует один из цилиндров по моменту впрыскивания топлива, генерируют с привязкой по углу поворота коленчатого вала первую функцию неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения с амплитудой, равной измеренной, а также вторую функцию, связывающую силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, с крутящим моментом двигателя и в угловом интервале, равном или меньшем такту двигателя до и после условной верхней мертвой точки контролируемого цилиндра, непрерывно в фазе вычитают из измеренного ускорения его значения в условной мертвой точке, аналогично вычитают первую функцию, находят отношение полученной разности и второй функции, полученную зависимость от угла поворота или от времени принимают за косвенную индикаторную диаграмму цилиндра двигателя, сравнивает эту диаграмму и ее числовые показатели с эталонными, измеренными предварительно и соотнесенными с аналогичными величинами для давлений в цилиндре исправного нормального двигателя, а также с предварительно полученными зависимостями изменения этих величин при изменении состояния двигателя от нормального до допустимого и предельного и по степени их близости классифицируют состояние двигателя.
Поставленная цель в экспертной системе достигается тем, что в известную систему дополнительно введены датчик угловых меток-зубьев, формирователь импульсов зубьев, элемент ИЛИ цикла, датчик впрыска топлива, усилитель впрыска, второй пороговый триггер, двойной цифровой дифференциатор, цифровой дискриминатор знака, измеритель экстремума ускорений, запоминающее устройство ускорений, арифметическое устройство, генератор функций, блок идентификации, задатчик моделей процессов, блок классификации состояний, задатчик функций изменения параметров, причем выходы датчика угловых меток с отметчиком оборота подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, четвертый вход которого соединен с блоком ручного управления, пятый вход подключен через приемник к электронно-вычислительной машине, первый выход блока управления подключен к первому входу цифрового индикатора и первому входу блока вывода, выход которого связан с электронно-вычислительной машиной. Второй выход блока управления соединен с управляющими входами аналого-цифровых преобразователей, причем выходы датчиков давлений в цилиндрах через усилители связаны с соответствующими информационными входами аналого-цифровых преобразователей, третий выход блока управления соединен с первым входом вычислительного блока, четвертый выход подключен к корректирующим входам усилителей через схему формирования импульсов коррекции и к первому входу формирователя команд обработки, второй вход которого соединен через задатчик алгоритмов обработки с выходом приемника, а третий вход с первым выходом вычислительного блока, при этом второй выход блока управления соединен с первым входом распределителя тактов, второй вход которого подсоединен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход распределителя тактов соединен с четвертым входом формирователя команд обработки и управляющим входом коммутатора, остальные входы которого подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей, причем выход коммутатора соединен с вторыми входами блока вывода и вычислительного блока, третий вход которого подключен к выходу формирователя команд обработки, а четвертый вход к первому выходу блока управления. При этом второй выход вычислительного блока соединен с вторым входом блока цифрового индикатора и третьим входом блока вывода. Вход первого порогового триггера соединен с выходом одного из усилителей, а выход с первым входом элемента ИЛИ цикла, выход которого соединен с третьим входом блока управления. Датчик впрыска через последовательно соединенные усилитель впрыска и второй пороговый триггер подключен к второму входу элемента ИЛИ цикла, а датчик угловых меток-зубьев через формирователь импульсов зубьев соединен с шестым входом блока управления, пятый выход которого соединен с входом двойного цифрового дифференциатора, выход которого связан с первыми входами цифрового дискриминатора знака, измерителя экстремума ускорений и запоминающего устройства ускорений, выход цифрового дискриминатора знака подключен к седьмому входу блока управления, а выходы измерителя экстремума ускорений и запоминающего устройства ускорений соединены соответственно с первым и вторым входами арифметического устройства, вторые входы цифрового дискриминатора знака, измерителя экстремума ускорений, запоминающего устройства ускорений, третий вход арифметического устройства, первые входы блоков идентификации и классификации состояний соединены с первым выходом блока управления, а третьи входы измерителя экстремумов ускорений, запоминающего устройства ускорений, четвертый вход арифметического устройства, вход генератора функций, вторые входы блоков идентификации и классификации состояний, а также первые входы задатчика моделей процессов и задатчика функций изменения параметров соединены с выходом формирователя команд обработки, причем пятый вход арифметического устройства соединен с выходом генератора функций, а выход с вторыми входами вычислительного блока и блока вывода. Третий вход блока идентификации, а также вторые входы задатчика моделей процессов и задатчика функций изменения параметров соединены с выходом вычислительного блока, четвертый вход с выходом задатчика моделей процессов, а выход с третьим входом блока классификации состояний, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика функций изменения параметров, а выход - с четвертым входом блока вывода, причем шестой выход блока управления соединен с вторым управляющим входом коммутатора.
В экспертной системе в блок управления дополнительно введены первый и второй элементы ИЛИ и второй элемент И, причем первый вход блока управления является входом формирователя сигналов угловых меток, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого является шестым входом блока управления, а выход соединен с входом делителя периода, второй вход блока управления является входом формирователя сигналов оборота, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого является седьмым входом блока управления, а выход соединен с первым входом формирователя сигналов начала цикла, второй вход которого является третьим входом блока управления, а выход формирователя сигналов начала цикла подключен через счетчик текущего угла к входу избирательного блока и первому входу формирователя команд управления, причем выход счетчика текущего угла является третьим выходом блока управления. Выход делителя периода соединен с третьим входом формирователя сигналов начала цикла, вторым входом счетчика текущего угла и вторым входом формирователя команд управления, третий и четвертый входы которого являются соответственно четвертым и пятым входами блока управления, а первый выход формирователя команд управления подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу делителя периода. Выход первого элемента И является вторым выходом блока управления, первым и четвертым выходами которого являются соответственно второй выход формирователя команд управления и выход избирательного блока. Первый вход второго элемента И соединен с выходом первого элемента ИЛИ, выход второго элемента И является пятым выходом блока управления, второй вход соединен с третьим выходом формирователя команд управления и одновременно является шестым выходом блока управления.
Вычислительный блок может содержать схему выбора экстремума, измеритель периода, цифровой дифференциатор, блок вычисления среднего индикаторного давления и блок регистров параметров, при этом третий вход вычислительного блока является первым управляющим входом блока регистров и первым входом схемы выбора экстремума, цифрового дифференциатора, измерителя периода и блока вычисления среднего индикаторного давления, выходы которых, а также первый и второй входы вычислительного блока подсоединены к информационным входам блока регистров, при этом второй вход вычислительного блока является вторым входом схемы выбора экстремума, цифрового дифференциатора и блока вычисления среднего индикаторного давления, третьим входом которых является выход блока регистров, причем четвертый вход блока вычисления среднего индикаторного давления является первым входом вычислительного блока, а выход цифрового дифференциатора соединен с четвертым входом схемы выбора экстремума, второй выход которой является первым выходом вычислительного блока, второй выход и четвертый вход которого являются соответственно выходом и вторым управляющим входом блока регистров.
На фиг. 1 приведены диаграммы рабочих процессов четырехкратного рядного четырехцилиндрового ДВС εк, εин, εΣ, εтд составляющие углового ускорения коленчатого вала: компрессионная, инерционная, результирующая и термодинамическая соответственно; ИВ-импульсы впрыска топлива; ИЗ- импульсы зубьев; ВМТ
импульс ВМТ, Г2(ϕ)- генерируемая функция, определяемая конструктивными особенностями двигателя; pк(ϕ) косвенная индикаторная диаграмма цилиндра двигателя; кривыми 1, 2, 3 обозначены диаграммы: нормальная, с предельным ранним и с предельным поздним значениями угла опережения подачи топлива соответственно.
На фиг. 2, 3, 4 изображены функциональные схемы экспертной системы для осуществления способа и ее блок управления и вычислительный блок соответственно.
Заявляемый способ осуществляют в следующей последовательности. Прокручивают двигатель на частоте вращения ниже минимальной холостого хода. На этой частоте практически отсутствуют неуравновешенные инерционные силы и хорошо проявляются компрессионные силы сжатия и расширения. Непрерывно измеряют угловое ускорение коленчатого вала, определяют моменты перехода этого ускорения через ноль с минимума на плюс (фиг.1, а), находят угловые метки, ближайшие к указанным моментам перехода (на фиг. 1,б они обозначены жирно), которые принимают за условные ВМТ. Эти угловые метки могут быть получены от датчика зубьев маховика или от любого другого датчика угловых меток с достаточной разрешающей способностью по углу поворота. Затем на частоте вращения, при которой предполагается определение индикаторной диаграммы, прокручивают двигатель и измеряют амплитуду неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения коленчатого вала (фиг. 1, д).
Неуравновешенная инерционная составляющая углового ускорения является детерминированной и полностью зависит от компоновки и инерционных свойств двигателя. Например, для четырехтактного рядного четырехцилиндрового двигателя неуравновешенной является вторая гармоника частоты вращения (фиг. 1, д);

где Jд приведенный момент инерции двигателя (среднее значение);
Мин инерционная составляющая крутящего момента;
ω угловая скорость;
v угол поворота коленчатого вала (ПКВ);
m приведенная неуравновешенная масса (поршня и части шатуна);
r радиус кривошипа;
iц число цилиндров;

L длина шатуна.
Амплитуда этой инерционной составляющей зависит от ряда факторов случайного характера (разброса масс маховика, поршней, шатуна, уравновешивающего механизма, длины шатуна и др.). Однако для конкретного двигателя при данном состоянии ее значение постоянно.
Затем нагружают двигатель и непрерывно измеряют угловое ускорение коленчатого вала (фиг. 1,е). Идентифицируют контролируемый цилиндр по моменту впрыскивания топлива форсункой. Импульс впрыска может быть получен от накладочного датчика, устанавливаемого на топливопроводе высокого давления контролируемого цилиндра, или встраиваемого в разрыв топливопровода (например от тензо-, пьезо-, термо- или вибропреобразователя).
После этого генерируют с привязкой по углу ПКВ (например к ВМТ первого цилиндра) первую функцию τ1(ϕ) неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения (1) с амплитудой An, равной измеренной, а также вторую функцию углового ускорения, которая определяется конструктивными кинематическими особенностями контролируемого двигателя. Неуравновешенная инерционная составляющая является, как правило, определенной гармоникой частоты вращения (например для четырехцилиндрового четырехтактного рядного двигателя это вторая гармоника частоты вращения). Вторая функция Г2(ϕ) связывает силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме с крутящим моментом двигателя Mi1, Создаваемым работой одного цилиндра:

где β = arcsin (λsinϕ);
Tкi, Tгi, Tj соответственно компрессионная, газовая, и инерционная составляющая сил, действующих в КШМ;
D диаметр поршня;
Pкi1, Pгi1 компрессионная и газовая составляющие давления в цилиндре.
С другой стороны в соответствии с уравнением динамики двигателя при неравномерном вращении под нагрузкой результирующее ускорение равно:

где Mкi,Mгi,Mин,Mп,Mнт соответственно составляющие крутящего момента: компрессионная составляющая индикаторного момента, газовая составляющая индикаторного момента, инерционная, потерь и нагрузки;
ζ1m фазовое положение цилиндра в соответствии с диаграммой чередования вспышек (например для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя) ζ11=0;ζ12=π;ζ13=3π; ζ14=2π; εк, εг, εин, εп, εнг соответственно составляющие углового ускорения: компрессионная, газовая, инерционная, потерь, нагрузки. При этом среднее значение ускорения εΣ за цикл работы двигателя равно нулю. С учетом (3)-(6) компрессионная, газовая и термодинамическая (равная их сумме) составляющие давления в контролируемом цилиндре могут быть получены выделением из суммарного ускорения (6) соответствующих составляющих:

Для выделения ускорений εк, εг и εтд необходимо прежде всего из суммарного ускорения εΣ (фиг. 1, е) вычесть в фазе инерционную составляющую eин= AnГ1(ϕ) (например для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя Г1(ϕ)=sin2ϕ), а также εп и εнг. При данной частоте вращения значение εп практически не зависит от угла ПКВ, ускорение εнг за время измерений остается постоянным. С учетом того, что в ВМТ ускорение εк, εг и εин равны нулю, то уровень εп+ εнг можно определить, измерив ускорение εΣ в условной ВМТ v= ϕвмт, затем вычесть его из каждого текущего значения ускорения εΣ (фиг. 1, е). Результирующее ускорение eтд после вычитания имеет вид (фиг. 1,ж), разделив каждое текущее значение этого ускорения на текущее значение второй функции Г2(ϕ) (фиг. 1,з), получим зависимость Pк(ϕ) или от времени (фиг. 1, и), которую принимаем за косвенную индикаторную диаграмму цилиндра двигателя.
Предварительно для нормального исправного двигателя определяют с помощью датчика, установленного в камере сгорания, индикаторную диаграмму давлений цилиндра, а также числовые показатели этой диаграммы (максимальное давление PZ, давление сжатия Pc, среднее индикаторное давление Pi, максимальную скорость нарастания давления (dPi/dϕ) мах и соответствующие угловые положения этих показателей (ϕz, ϕc, ϕdmax)). Для этого же состояния измеряют косвенную индикаторную диаграмму и полученные аналогично указанные числовые показатели, которые принимают за эталонные. Предварительно также определяют зависимость изменения индикаторной диаграммы давлений и косвенной индикаторной диаграммы и их указанных числовых показателей при изменении состояния двигателя от нормального до допустимого и предельного. Эти зависимости можно получить, например, проводя ускоренные износные испытания или многофакторный активный эксперимент, учитывающий изменение наиболее значимых факторов. В последнем случае эти зависимости можно описать квадратичным полиномом. На фиг. 1 и показано изменение косвенной индикаторной диаграммы при разрегулировке топливной системы (кривая 1 нормальное состояние, кривая 2 предельное значение позднего, а кривая 3 предельное значение раннего угла опережения подачи топлива).
Затем сравнивают измеренную косвенную индикаторную диаграмму и ее числовые показатели с эталонными, а также с зависимостью, описывающей изменение этих величин при изменении состояния двигателя от нормального до допустимого и предельного, и по степени их близости классифицируют состояние двигателя. В качестве меры близости может быть, например, принято обычное евклидово расстояние:

где вектор i-го измерения испытуемого двигателя;
вектор средних значений признаков модели;
Z число признаков, характеризующих состояний двигателя.
Расстояние d определяется как для всей косвенной индикаторной диаграммы, так и для ее числовых показателей. В первом случае число r определяется разрешающей способностью и требуемой точностью измерения и равно числу значений (отсчетов) косвенной индикаторной диаграммы, снятой по углу ПКВ с шагом, равным шагу между соседними угловыми метками (зубьями маховика). Расстояние d может быть определено как для каждого числового показателя в отдельности, так и по всем одновременно. В силу разброса рабочих процессов в цилиндре от цикла к циклу необходимо определять среднее значение расстояния (10), полученное по множеству циклов (100-200), или находить расстояние d для усредненных значений Pki.
Состояние двигателя условно можно разбить на классы: нормальное при отклонении диаграммы давлений числовых показателей примерно на ± 1% от номинальных значений; допустимое при их отклонении в худшую сторону на 1 - 5% предельное -при их отклонении в ту же сторону на 5 15% и предаварийное при их отклонении в ту же сторону более чем на 15% По значению расстояний от измеренной косвенной диаграммы до эталонной модели и до соответствующих указанным классам моделей принимается решение о состоянии двигателя. Например, по минимальному значению указанного среднего расстояния можно судить о принадлежности двигателя к данному классу состояния.
Экспертная система для определения технического состояния двигателя внутреннего сгорания (фиг. 2) содержит датчик 11 1n давления в цилиндрах, усилители 21 2n с коррекцией нулевой линии, аналого-цифровые преобразователи 31 -3n, датчик 4 угловых меток с отметчиком оборота, блок 5 управления, первый пороговый триггер 6, блок 7 ручного управления, приемник 8, ЭВМ 9, цифровой индикатор 10, блок вывода 11, генератор 12 тактовых импульсов, распределитель 13 тактов, задатчик 14 алгоритмов обработки, формирователь 15 команд обработки, коммутатор 16, вычислительный блок 17, схему 18 формирования импульсов коррекции, элемент ИЛИ цикла 19, датчик 20 впрыска топлива, усилитель 21 впрыска, второй пороговый триггер 22, датчик 23 угловых меток-зубьев, формирователь 24 импульсов зубьев, двойной цифровой дифференциатор 25, цифровой дискриминатор 26 знака, измеритель 27 экстремума ускорений, запоминающее устройство 28 ускорения, арифметическое устройство 29, генератор 30 функций, блок 31 идентификации, блок 32 классификаций состояний, задатчик 33 моделей процесса, задатчик 34 функций изменения параметров.
Каждый из датчиков 11 1n давления в цилиндрах через усилители 21 2n с коррекцией нулевой линии подключен к своему аналого-цифровому преобразователю 31 2n, а первый выход датчика 4 угловых меток с отметчиком оборота к второму входу блока 5 управления. Выход одного из усилителей 21 2n соединен с входом первого порогового триггера 6, четвертый вход блока 5 управления соединен с блоком ручного управления 7, а пятый вход подключен через приемник 8 к электронно-вычислительной машине 9. Первый выход блока 5 управления соединен с первыми входами цифрового индикатора 10 и блока 11 вывода, выход которого соединен с ЭВМ 9; второй выход блока 5 управления соединен с управляющими входами АЦП 31 -3n. Генератор 12 тактовых импульсов соединен с вторым входом распределителя 13 тактов, первый вход которого соединен с вторым выходом блока 5 управления. Вход задатчика 14 алгоритмов обработки подключен к выходу приемника 8, а выход к второму входу формирователя 15 команд обработки, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока 5 управления, четвертый вход с выходом распределителя 13 тактов и первым управляющим входом коммутатора 16, третий вход с первым выходом вычислительного блока 17, а выход с третьим входом вычислительного блока 17. Вход схемы 18 формирователя импульсов коррекции соединен с четвертым выходом блока 5 управления, а выход с корректирующими входами усилителей 21 - 2n. К третьему входу блока 5 управления подключен выход элемента ИЛИ цикла 19, один из входов которого соединен с выходом первого порогового триггера 6. Датчик 20 впрыска топлива через последовательно соединенные усилитель 21 впрыска и второй пороговый триггер 22 подключен к второму входу элемента ИЛИ цикла 19. Датчик 23 угловых меток-зубьев через формирователь 24 импульсов зубьев подключен к шестому входу блока 5 управления. Пятый выход блока 5 управления через двойной цифровой дифференциатор 25 подключен к первым входам цифрового дискриминатора знака 26, измерителя 27 экстремума ускорений и запоминающего устройства ускорений 28, вторые входы которых соединены с первым выходом блока 5 управления. Выход цифрового дискриминатора 26 знака подключен к седьмому входу блока 5 управления, а выходы измерителя 27 экстремума и запоминающего устройства 28 ускорений соединены соответственно с первым и вторым входами арифметического устройства 29, третий вход которого соединен с первым выходом блока 5 управления, пятый вход с выходом генератора 30 функции, а выход с вторыми входами блока 11 вывода и вычислительного блока 17. Первые входы блоков идентификации 31 и классификации 32 соединены с первым выходом блока 5 управления, вторые входы этих блоков, а также третьи входы измерителя экстремума 27, запоминающего устройства ускорения 28, четвертый вход арифметического устройства 29, вход генератора функции 30, первые входы задатчика моделей процесса 33 и задатчика функции изменения параметров 34 подключены к выходу формирователя 15 команд обработки. Третий вход блока 31 идентификации связи с вторым выходом вычислительного блока 17, четвертый вход с выходом задатчика 33 моделей процесса, в выход с третьим входом блока 32 классификации, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика 34 функции изменения параметров, а выход с четвертым входом блока 11 вывода.
Блок 5 управления (фиг. 3) содержит формирователь 35 сигналов угловых меток, формирователь 36 сигналов оборота, формирователь 37 сигналов начала цикла, формирователь 38 команд управления, счетчик 39 текущего угла, избирательный блок 40, делитель периода 41, первый и второй элементы И 42,43, первый и второй элементы ИЛИ 44 45. Первый вход блока 5 управления является входом формирователя 35 сигналов угловых меток, второй вход блока 5 управления является входом формирователя 36 сигналов оборота, второй вход формирователя 37 сигналов начала цикла является третьим входом блока 5 управления. Выход формирователя 37 сигналов начала цикла подключен через счетчик 39 текущего угла к входу избирательного блока 40 и к первому входу формирователя 38 команд управления, причем выход счетчика 39 текущего угла является третьим выходом блока управления. Выход делителя периода 41 соединен с третьим входом формирователя 37 сигналов начала цикла, вторым входом счетчика 39 текущего угла и вторым входом формирователя 38 команд управления, третий и четвертый входы которого являются соответственно четвертым и пятым входами блока 5 управления.
Первый выход формирователя 38 команд управления подключен к первому входу первого элемента И 42, второй вход которого подсоединен к выходу делителя периода 41. Выход первого элемента И 42 является вторым выходом блока 5 управления, первым и четвертым выходами которого являются соответственно второй выход формирователя 38 команд управления и выход избирательного блока 40. Второй вход которого элемента И 43 соединен с третьим выходом формирователя 38 команд управления. Выход которого И 43 является пятым выходом, а третий выход формирователя 38 команд управления шестым выходом блока 5 управления. Выход формирователя 35 сигналов угловых меток соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 44, выход которого подключен к входу делителя периода 41 и первому входу второго элемента И 43. Выход формирователя 36 сигналов оборота связан с первым входом второго элемента ИЛИ 45, выход которого подключен к первому входу формирователя 37 сигналов начала цикла. Вторые входы элементов ИЛИ 44,45 являются соответственно шестыми и седьмым входами блока 5 управления.
Вычислительный блок 17 (фиг. 4) содержит схему выбора экстремума 46, измеритель периода 47, цифровой дифференциатор 48, блок вычисления среднего индикаторного давления 49 и блок регистров параметров 50, при этом третий вход вычислительного блока 17 является первым управляющим входом блока регистров 50 и первыми входами схемы выбора экстремума 46, цифрового дифференциатора 48, измерителя периода 47 и блока вычисления среднего индикаторного давления 49, выходы которых, а также первый и второй входы вычислительного блока 17 подсоединены к информационным входам блока регистров 50, при этом второй вход вычислительного блока 17 является вторым входом схемы выбора экстремума 46, цифрового дифференциатора 48 и блока вычисления цифрового индикаторного давления 49, третьим входом которых является выход блока регистров 50, причем четвертый вход блока вычисления среднего индикаторного давления 49 является первым входом вычислительного блока 17, а выход цифрового дифференциатора 48 соединен с четвертым входом схемы 46 выбора экстремума, второй выход которой является первым выходом вычислительного блока 17, второй выход и четвертый вход которого являются соответственно выходом и вторым управляющим входом блока 50 регистров.
В качестве датчика впрыска топлива 20 может быть применен тензо- или вибропреобразователь, устанавливаемый с помощью клипсы на трубопровод высокого давления (обычно первого цилиндра).
Второй пороговый триггер 22 выполнен аналогично первому 6 (по схеме триггера Шмитта). В качестве датчика 23 угловых меток-зубьев может использоваться индукционный датчик, устанавливаемый напротив зубчатого венца маховика двигателя. Двойной цифровой дифференциатор 25 может быть выполнен в виде двух последовательно соединенных цифровых дифференциаторов с усреднением, собранных по типовой схеме. Время скользящего усреднения такого дифференциатора будет определяться желаемым числом используемых угловых меток.
Цифровой дискриминатор знака 26 может быть выполнен по типовой схеме сравнивающего устройства кодов текущих чисел с нулем, а измеритель экстремума ускорений 27 по цифровой схеме максимального отбора (цифрового пикового детектора). Запоминающее устройство 28 состоит из набора регистров, число которых в каждом наборе должно быть не менее удвоенного числа угловых меток, а разрядность определяется требуемой точностью измерения ускорения. В качестве арифметического устройства 29 может использоваться спецпроцессор с жесткой коммутированной логикой. Генератор функции 30 может состоять из набора регистров, число и разрядность которых определяется необходимой точностью воспроизведения функции Г2(2). Блоки идентификации 31 и классификации 32 также могут быть построены на процессорах с жестко коммутированной логикой. Задатчик 33 моделей процессоров и задатчик 34 функций изменения параметров содержат наборы регистров, в которых хранятся соответствующие числовые значения моделей и функций.
Экспертная система работает следующим образом. В системе предусмотрены четыре режима работы: измерения и регистрации индикаторной диаграммы давлений в цилиндрах, привязки, обучения, измерения и регистрации косвенной индикаторной диаграммы. При этом последние три режима должны осуществляться последовательно по порядку.
При работе двигателя в режиме измерения и регистрации индикаторной диаграммы давлений в цилиндрах мгновенные значения давления газов в цилиндрах преобразуются датчиками 11-1n давления в соответствующее электрическое напряжение, усиливаются усилителями 21-2n и поступают на сигнальные входы АЦП 31-3n. Одновременно с датчика 4 угловых меток на первый вход блока управления 5 поступают сигналы угловых меток, соответствующие равным изменениям угла ПКВ в определенном количестве за оборот, в сигнал оборота с датчика 4 поступает на второй вход блока управления 5. Кроме того, на третий вход блока управления 5 через схему ИЛИ цикла 19 поступает сигнал разделения тактов работы цилиндров, идентифицирующий номер цилиндра. Этот сигнал формируется из сигнала давления, поступившего с выхода выбранного усилителя 2 на пороговый триггер 6, порог срабатывания которого устанавливается таким образом, чтобы исключить воздействие помех. Сигналы угловых меток нормируются по длительности и амплитуде в формирователе 35 и поступают через первую схему ИЛИ 44 на вход делителя периода 41, выходной сигнал которого соответствует равным изменениям угла ПКВ в количестве, возросшем в соответствии с коэффициентом деления. Сигнал оборота нормируется по длительности и амплитуде в формирователе 36 и поступает через вторую схему ИЛИ 45 на первый вход формирователя 37 сигналов начала цикла, на второй вход которого поступает сигнал разделения тактов работы цилиндров, а на третий вход сигналы угловых меток с выхода делителя периода 41. Выходной сигнал формирователя 37 сигналов начала цикла может служить импульсом начала цикла работы двигателя. Этот сигнал подается на вход начальной установки счетчика 39 текущего угла, на счетный вход которого поступают сигналы угловых меток с делителя периода 41. Код текущего угла ПКВ с выхода счетчика 39 поступает на первый вход формирователя 38 команд управления и на вход избирательного блока 40. В этом блоке путем дешифрации кода текущего угла ПКВ формируются сигналы, соответствующие отдельным тактам работы цилиндров и моментам ВМТ, которые поступают на четвертый выход блока 5 управления и обеспечивают избирательную работу экспертной системы по цилиндрам. Формирователь 38 команд управления по входам 3 и 4 получает команды с блока 7 ручного управления и с ЭВМ 9 через приемник 8, на вход 2 его поступают также сигналы угловых меток с делителя 41.
На основе этих сигналов формируются сигналы команд управления в цифровом коде, поступающие по общему каналу с выхода 1 блока управления 5 на цифровой индикатор 10, блок вывода 11, вычислительный блок 17, измеритель экстремума ускорений 27, запоминающее устройство ускорения 28, арифметическое устройство 29, генератор функции 30, блоки идентификации 31 и классификации 32. Каждый блок имеет свой адрес, благодаря чему он выполняет предназначенные ему команды. Кроме того, формирователь 38 команд управления вырабатывает сигнал включения процесса измерения, который разрешает прохождение сигналов угловых меток с делителя периода 41 через первый элемент И 42 на выход 2 блока управления 5. Все эти сигналы позволяют организовать процесс вычисления, управлять процессом цифровой индикации, а также регистрации индикаторных диаграмм и массива рассчитанных параметров, т.е. позволяют осуществить первичную обработку индикаторных диаграмм в реальном масштабе времени, визуализацию данных и обработку индикаторных диаграмм также с помощью ЭВМ.
Схема формирования импульсов коррекции 18 вырабатывает корректирующие импульсы из сигналов мертвых точек в определенный момент времени цикла для каждого цилиндра (например, в момент нижней мертвой точки такта сжатия данного цилиндра).Эти мпульсы поступают на корректирующие входы усилителей 21 - 2n и позволяют производить периодическую автоматическую подстройку нулевой линии сигналов давления, что способствует повышению точности измерения и вычисления параметров, выраженных в абсолютных значениях давлений (максимальное давление Pz, давление в конце такта сжатия Pc и др.).
Сигнал, поступивший с выхода 2 блока управления 5, производит запуск АЦП 31 3n, которые преобразуют аналоговые сигналы давлений во всех цилиндрах в соответствующие цифровые коды, поступающие на сигнальные входы коммутатора 16. Кроме того, этот сигнал запускает распределитель 13 тактов, который формирует свою серию тактовых импульсов для каждого цилиндра за период поступающих угловых меток с учетом очередности работы цилиндров ДВС. Частота указанных тактовых импульсов определяется генератором 12 тактовых импульсов, а их число алгоритмом обработки.
На вход 1 формирователя 15 команд обработки подаются сигналы мертвых точек и тактов работы цилиндров, поступающие с выхода 4 блока управления 5, на вход 2 сигналы алгоритмов обработки, поступающие с задатчика 14 алгоритмов обработки, на вход 3 сигналы моментов экстремальных значений информационных сигналов (например, момент максимального давления сгорания), поступающие с выхода 1 вычислительного блока 17, на вход 4 тактовые импульсы, поступающие с распределителя 13.
Задатчик 14 представляет собой запоминающие устройство с числом ячеек, равным максимальному числу тактов обработки. Каждая ячейка содержит команду, причем последовательность их записи определяет алгоритм работы системы. Команды в задатчике 14 алгоритмов обработки задаются цифровым кодом как с помощью жестко закоммутированной логики, так и по программе ЭВМ 9 через приемник 8.
С учетом поступивших сигналов формирователь 15 команд обработки вырабатывает команды для вычисления всех параметров индикаторных диаграмм по всем цилиндрам в реальном масштабе времени в вычислительном блоке 17. Для каждого цилиндра рассчитывается, например среднее индикаторное давление , максимальное давление Pz, максимальная скорость нарастания давления (dP/dϕ)max давление в конце такта сжатия Pc, угловые и временные интервалы между ВМТ и положением Pz, Pc и т.д. Кроме того, вычисляются другие общие параметры, в частности период оборота и частота вращения. Расчет параметров для каждого цилиндра осуществляется на тактах "сжатие - расширение".
Процесс вычисления происходит следующим образом. После поступления команды на включение в режиме измерения индикаторной диаграммы на формирователь 15 команд обработки начинают поступать серии тактовых импульсов цилиндров. Вычисление всех параметров по всем цилиндрам производится в каждом угловом отсчете при заданной блоком 5 управления дискретизации по углу ПКВ. Формирование команд обработки для каждого цилиндра начинается с момента появления нижней мертвой точки, причем вычисление внутри одного углового интервала производится последовательно по всем цилиндрам, оно определяется сигналами с распределителя тактов 13. На вычислительный блок 17 постоянно подается код текущего угла ПКВ, используемый при расчете угловых параметров и среднего индикаторного давления. При расчете параметров конкретного цилиндра через коммутатор 16 на вычислительный блок 17 проходит информация о текущем давлении этого цилиндра. Коды мгновенных значений давлений поступают на входы цифрового дифференциатора 48, схемы выбора экстремума 46, блока вычисления среднего индикаторного давлений 49. Код текущего угла поступает в блок вычисления среднего индикаторного давления 49 и в блок регистров параметров 50 и служит для расчета угловых параметров и среднего индикаторного давления.
По командам обработки, поступающим на управляющие входа 1 и 3 блока 17 в цифровом коде по единому каналу, производится обработка поступающей информации. В блоке 49 рассчитывается среднее индикаторное давление методом численного интегрирования, а в цифровом дифференциаторе 48 производная давления по углу ПКВ. Схема 46 выбора экстремума производит выделение моментов экстремальных значений информационных сигналов давления и производных давления и выдает эти сигналы на выход 1 вычислительного блока 17 для формирования команд обработки.
В измерителе 47 периода измеряются различные временные интервалы по поступающим командам обработки. Для реализации алгоритма вычисления параметров на третьи входы схемы 46 выбора экстремума, цифрового дифференциатора 48 и блока 49 вычисления среднего индикаторного давления подается информация о соответствующих результатах вычислений по данному цилиндру за предыдущий угловой отсчет с блока 50 регистров. В каждом угловом отсчете с учетом текущей информации о давлении, поступающей на вторые входы указанных блоков с конкретного датчика по сигналу распределителей 13 тактов через коммутатор 16, производится обработка по заданным алгоритмам для каждого параметра каждого цилиндра и промежуточные результаты постоянно заносятся в блок 50 регистров.
Вычисление значения параметров за цикл работы каждого цилиндра поступают в блок 50 регистров параметров, где хранятся значения всего набора параметров по каждому цилиндру до поступления новых значений за следующий цикл работы. В течение этого времени по командам управления, поступающим на второй управляющий вход блока 50 регистров параметров, выводятся вычисленные параметры. Процесс расчета повторяется в каждом цикле работы цилиндра. При поступлении команды на выключение процесса измерения вычисление производится до конца по всем цилиндрам и в вычислительном блоке 17 хранятся значения параметров по всем цилиндрам за последний цикл. Вычисленные значения параметров могут высвечиваться на цифровом индикаторе 10 по командам с блока управления 5.
Различные массивы вычисленных параметров, а также индикаторные диаграммы с дискретностью по углу ПКВ, определяемой блоком управления 5, могут заноситься в ЭВМ 9 для вторичной обработки по сложным программам, а также для долговременного хранения индикаторных диаграмм-образцов, соответствующих различным классам состояний ДВС.
Перед обучением экспертной системы первоначально необходимо наполнить базу данных и базу знаний информацией, необходимой для обеспечения классификации состояний двигателя. С этой целью в описанном режиме регистрируются индикаторные диаграммы давлений, вычисляются их частные параметры, а также измеряются или вычисляются другие необходимые технические показатели двигателя (мощность, расход топлива и т.д.) и по ним определяют техническое состояние двигателя. В соответствии с требованиями нормативно-технической документации по отклонениям параметров от паспортных (нормальных) классифицируют состояние двигателя. Различные технические состояния двигателя (нормальное, допустимое, предельное и т.д.) могут быть также смоделированы путем разрегулировок, замен узлов, деталей и т.д. После установления принадлежности испытуемого двигателя и к конкретному классу состояний в режиме обучения измеряют и регистрируют косвенную индикаторную диаграмму, а также вычисляют ее частные параметры (Pкz, Pкc,(dp/dϕ)кmax и др.). Для двигателя с нормальным техническим состоянием эту диаграмму и указанные параметры записывают в задатчик 33 моделей процессов. Аналогично измеряют и регистрируют косвенные индикаторные диаграммы и их частные параметры для других заранее установленных технических состояний двигателя, относящихся к классам допустимого, предельного, предварительного и др. состояний двигателя. Значения характерных точек этих диаграмм (например, с шагом по углу ПКВ 3 5o), а также частных параметров записываются в задатчик 34 функций изменения параметров. Задатчик 33 вместе с блоком 50 регистров образует базу данных, а задатчик 34 вместе с блоками идентификации 31 и классификации 32 базу знаний экспертной системы. При работе экспертной системы в режимах привязки, обучения, измерения и регистрации косвенной индикаторной диаграммы на вход экспертной системы поступают сигналы только с датчика 20 впрыска топлива и датчика 23 угловых меток-зубьев.
Работа экспертной системы в режиме привязки осуществляется в следующей последовательности. Прокручивают двигатель на частоте вращения ниже минимальной частоты холостого хода. Сигнал с датчика 20 через усилитель впрыска 21 подается на вход второго порогового триггера 22, в котором при появлении сигнала с датчика 21, превысившего порог, формируется импульс, причем порог срабатывания триггера 23 выбирается таким, чтобы исключить действие помех с уровнем, меньшим амплитуды усиленного сигнала датчика 20. Сигнал с выхода порогового триггера 21 проходит через схему ИЛИ цикла 19 на третий вход блока 5 управления. Сигнал с датчика 23 угловых меток-зубьев через формирователь 24 импульсов зубьев подается на шестой вход блока 5 управления, который одновременно является вторым входом первого элемента ИЛИ 44. С выхода этого элемента сформированные угловые метки при наличии разрешающего сигнала с формирователя 38 команд управления проходят через второй элемент И 43 на пятый выход блока 5 управления. Этот разрешающий сигнал формируется в формирователе 38 команд управления только в режиме привязки, обучения и измерения косвенной индикаторной диаграммы и подается на один из входов второго элемента И 43, а также на шестой выход блока 5 управления, откуда он поступает на второй управляющий вход коммутатора 16, для которого является запрещающим, препятствующим прохождению каких-либо сигналов через коммутатор 16. С пятого выхода блока управления сигналы угловых меток подаются на вход двойного цифрового дифференциатора 25, в котором рассчитывается угловое ускорение в течение следования трех или более соседних угловых меток. Коды этого ускорения непрерывно подаются на один из входов цифрового дискриминатора знака 26. В режиме привязки на второй вход этого дискриминатора с выхода 1 блока 5 управления поступает сформированная в формирователе 38 команд управления команда на разрешение работы дискриминатора.
В дискриминаторе 26 знака происходит сравнение текучих кодов ускорений с нулем и в моменты смены знаков с минуса на плюс с его выхода на вход 7 блока 5 управления, который одновременно является вторым входом второго элемента ИЛИ 45, подается импульс длительностью не более интервала между соседними угловыми метками. Прошедшая через формирователь 37 сигналов начала цикла угловая метка, серия которых поступает на третий вход этого формирователя с выхода делителя периода 41, применяется за начало цикла работы двигателя. Она соответствует ВМТ того цилиндра, на котором установлен датчик 20 впрыска топлива (обычно это первый цилиндр). Сигнал начала цикла с выхода формирователя 37 поступает на вход начальной установки счетчика 39 текущего угла, на счетный вход которого поступает серия угловых меток с выхода делителя 41 периода. Выработанный код текущего угла ПКВ поступает на первый вход формирователя 38 команд управления и на вход избирательного блока 40, в котором формируются сигналы, соответствующие тактам мертвых точек. Остальные блоки экспертной системы в работе в этом режиме не участвует, так как на них не подаются команды включения в работу с блока управления 5.
Привязка по углу ПКВ сохраняется в режиме обучения, а также в режиме измерения и регистрации косвенной индикаторной диаграммы.
Работа экспертной системы в режиме обучения осуществляется следующим образом. После того, как в режиме измерения и регистрации индикаторных диаграмм давлений в цилиндрах выявлен класс технического состояния, к которому относится испытуемый двигатель (например "нормальное состояние"), измеряется и регистрируется косвенная индикаторная диаграмма в следующей последовательности. С учетом привязки по углу ПКВ, осуществленной в режиме привязки, а также с учетом команд управления, поступившим по входам 4 и 5 блока 5 управления с блока 7 ручного управления и с ЭВМ 9 через приемник 8, формирователь 38 команд управления формирует сигналы команд управления, поступающие по общему каналу с выхода 1 блока 5 управления на цифровой индикатор 10, блок вывода 11, вычислительный блок 17, измеритель экстремума ускорений 27, запоминающее устройство 28, арифметическое устройство 29, генератор функции 30, блоки идентификации 31 и классификации 32. Формирователь 38 команд управления вырабатывает также сигналы включения процесса измерения, один из которых разрешает прохождение сигналов угловых меток с поделенным периодом с делителя 41 через первый элемент И 42 на выход 2, а второй - сформированных угловых меток с выхода первого элемента ИЛИ 44 через второй элемент И 43 на выход 5 блока 5 управления.
Сигнал включения, полученный с выхода 3 формирователя 38 команд управления, поступает также на выход 6 блока 5 управления. Все эти сигналы обеспечивают процессы вычисления, хранения, генерирования функций, создания баз данных и знаний, управления цифровой индикацией, регистрации косвенных индикаторных диаграмм и массивов рассчитанных параметров, т.е. позволяют осуществить первичную обработку информации в реальном масштабе времени, их визуализацию, обработку косвенных индикаторных диаграмм с помощью ЭВМ.
Сигнал включения с выхода 6 блока 5 управления поступает на второй управляющий вход коммутатора 16, который в режимах обучения и измерения косвенных индикаторных диаграмм препятствует прохождению сигналов на выход коммутатора 16. Работа генератора тактовых импульсов 12, распределителя тактов 13, задатчика алгоритмов обработки 14 и формирователя команд обработки 15 аналогична работе в режиме измерения индикаторных диаграмм давлений.
Сигналы угловых меток с пятого выхода блока 5 управления поступают на вход двойного цифрового дифференциатора 25, в котором осуществляется вычисление текущих значений углового ускорения коленчатого вала.
Прокручивают двигатель на частоте вращения, при которой предполагается определение индикаторной диаграммы. По команде с формирователя 38 команд управления, поступающей с первого выхода блока 5 управления на второй (управляющий) вход измерителя 27 экстремума ускорений, осуществляется определение максимальных значений ускорений, коды которых поступают с выхода двойного дифференциатора 25 на первый (информационный) вход измерителя экстремума. Обработка этих кодов для каждого цилиндра производится в последовательности, определяемой привязкой по углу ПКВ. Она задается командами обработки, поступающими с выхода формирователя 15 команд обработки на третий (командный) вход измерителя 27 экстремума ускорений. Измеренные экстремальные значения ускорений для каждого цилиндра и их фазовое положение запоминаются и хранятся в измерителе 27 экстремума ускорения.
Затем нагружают двигатель до номинальной нагрузки и аналогично измеряют угловое ускорение коленчатого вала, которое с выхода двойного дифференциатора 25 подается на вход 1 (информационный) запоминающего устройства 28 ускорения. С учетом команд управления, поступающих с первого выхода блока 5 управления на второй (управляющий) вход, а также команд обработки, поступающих с формирователя 15 команд обработки на третий (командный) вход запоминающего устройства 28, в нем происходит запоминание ускорений в условиях ВМТ, а также полное или частичное запоминание других отсчетов, которое необходимо для обеспечения работы арифметического устройства 29. Одновременно в генераторе 30 функций с учетом привязки по углу ПКВ по командам формирователя 15 команд обработки генерируется первая функция F1(ϕ) неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения единичной амплитуды, а также вторая функция F2(ϕ), определяемая конструктивными особенностями двигателя. В генераторе 30 функций могут генерироваться функции F1(ϕ) и F2(ϕ) различного вида в зависимости от компоновки, типа, марки и других особенностей испытуемого двигателя.
Они могут быть также переданы заранее в этот генератор с ЭВМ 9 через приемник 8 по общему каналу.
Арифметическое устройство 29 осуществляет вычислительные операции с кодами, поступающими на информационные входы 1, 2, 5 с учетом команд управления и обработки, поступающих на управляющие входы 3 и 4 соответственно. Оно непрерывно в фазе умножает функцию F1(ϕ) на амплитуды инерционных составляющих ускорения, поступающих с измерителя 27 экстремумов ускорений: вычитает из каждого отсчета полного ускорения, поступающего с запоминающего устройства 28, значения ускорений в условиях ВМТ, хранящиеся в этом запоминающем устройстве, а также текущие значения умноженной первой функции; полученную разность для каждого отсчета делит на текущие значения второй функции. Результирующие зависимости от угла ПКВ или от времени принимаются за косвенные индикаторные диаграммы цилиндров. С выхода арифметического устройства 29 коды косвенных индикаторных диаграмм поступают на второй (информационный) вход вычислительного блока 17, в котором производится вычисление всех параметров косвенных индикаторных диаграмм. Работа вычислительного блока 17 аналогична его работе в режиме измерения индикаторных диаграмм давлений. Различные массивы вычисленных блоком 17 параметров, а также косвенные индикаторные диаграммы с дискретностью по углу ПКВ, определяемой блоком 5 управления, могут заноситься в ЭВМ 9 для детальной вторичной обработки. Кроме того, коды этих сигналов с второго выхода вычислительного блока 17 подаются на информационные входы задатчика 33 моделей процесса и задатчика 34 функций измерения параметров. По командам, поступающим с выхода формирователя 15 команд обработки на вторые (управляющие) входы этих задатчиков, происходит запись кодов косвенной индикаторной диаграммы эталона и ее параметров для нормального исправного двигателя. В задатчике 33 хранится модель-эталон косвенной индикаторной диаграммы и ее параметров
Pкz, Pкc,(dp/dϕ)кmax и др.
Затем на испытательный стенд устанавливается двигатель с другим известным классом состояний (допустимым) или моделируется это состояние искусственным внесением неисправностей. В режиме измерения индикаторных диаграмм давлений регистрируется индикаторная диаграмма давлений и ее параметры. Этим самым более точно подтверждается класс состояния двигателя. После этого в последовательности, аналогичной вышеописанной, вновь измеряется косвенная индикаторная диаграмма и ее параметры, которые поступают по командам формирователя 15 команд в задатчик 34 функций измерения параметров. В этом задатчике для каждого отсчета индикаторной диаграммы, а также для ее параметров определяется уравнение перехода из одного класса состояний в другой. Например, если испытывается двигатель только в двух состояниях: нормальном и допустимом, то это уравнение является уравнением прямой линии. Для получения более точного уравнения перехода необходимо аналогично найти промежуточные 2 3 точки между указанными классами состояний. В этом случае уравнение перехода может быть, например квадратичным.
Вычисленные уравнения перехода из класса нормального состояния в допустимое хранятся в задатчике 34 функций изменения параметров.
В такой последовательности определяются уравнения перехода из класса допустимых состояний в класс предельных состояний, для чего испытываются двигатели с соответствующим состоянием. Полученные уравнения связи хранятся в задатчике 34 функций изменения параметров. Для повышения достоверности классификации в задатчике 33 моделей процесса могут храниться образцы каждого класса состояний. Модели-эталоны, модели-образцы и уравнения связи могут быть переданы в ЭВМ 9, а также вызваны оттуда и переданы в задатчики 33 и 34.
В режиме экспертизы состояний, если для данной марки двигателя было проведено обучение экспертной системы, осуществляется измерение косвенных индикаторных диаграмм в последовательности, аналогичной вышеописанной в режиме обучения, за исключением того, что коды измеренных косвенных индикаторных диаграмм и их числовых показателей по командам формирователя 15 команд обработки подаются на третий (информационный) вход блока 31 идентификации. В этом блоке происходит сравнение текущих кодов измеренной косвенной индикаторной диаграммы и ее числовых показателей с аналогичными по фазе значениями кодов модели-эталона или модели-образца, хранящимися в задатчике 33 моделей процесса. Результаты сравнения в виде разности кодов поступают в блок классификации 34 на третий -информационный вход, который производит вычисление меры близости, например вида (10), а также с учетом знаний о поведении двигателя при изменении его состояния, т.е. функций перехода из класса в класс, хранящихся в задатчике 34 функций измерения параметров, осуществляет вычисление по заданному решающему правилу и выносит экспертное заключение о принадлежности испытуемого двигателя к определенному классу состояний. В качестве решающего правила может использоваться, например минимальное значение вычисленного среднего расстояния (10) между измеренным процессом и моделью-эталоном или моделью-образцом, в зависимости от того, хранится ли в задатчике 33 моделей процесса одна модель-эталон или также и модели-образцы классов. Из-за разброса параметров процессов горения от цикла к циклу вычисление расстояния (10) в блоке классификации 32 осуществляется по множеству циклов. Информация о результатах экспертизы может быть передана в ЭВМ 9 для создания досье на конкретный двигатель, а также для проведения других более сложных вычислительных операций, например прогнозирования технического состояния двигателей.
Предлагаемый способ и экспертная система для определения технического состояния двигателя могут использоваться как для исследования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания и автоматизации управления режимом его работы, так и для проведения экспертизы технического состояния ДВС в производственных и эксплуатационных условиях при предварительном обучении экспертной системы. Способ и экспертная система позволяют оперативно и точно получить объективное экспертное заключение о техническом состоянии двигателя. Экспертная система обеспечивает оперативное измерение, обработку и регистрацию больших массивов данных множества последовательно чередующихся индикаторных диаграмм давлений и косвенных индикаторных диаграмм, с визуализацией промежуточных и результирующих данных, с возможностью выхода на ЭВМ и вывода результатов обработки на любое устройство вывода (цифропечатающее устройство, дисплей, перфоратор, графопостроитель и т.д.). Она позволяет путем создания баз данных и баз знаний неограниченного объема использовать накопленный интеллектуальный потенциал разработчиков, исследователей, диагностов, эксплуатационников для проведения объективной экспертизы технического состояния ДВС.
Формула изобретения: 1. Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания путем измерения параметров неравномерности вращения, прокрутки двигателя на частоте вращения ниже минимальной холостого хода, непрерывного измерения углового ускорения коленчатого вала, определения моментов перехода этого ускорения через ноль с минуса на плюс и нахождении угловых меток, ближайших к указанным моментам перехода, которые принимают за условные верхние мертвые точки цилиндров, путем идентификации одного из цилиндров по моменту впрыскивания топлива, нахождения индикаторных диаграмм давлений в цилиндрах при изменении состояния двигателя и соотнесения их к каким-либо косвенным признакам, отличающийся тем, что на частоте вращения, при которой предполагается определение индикаторных диаграмм цилиндров, прокручивают двигатель и измеряют амплитуду неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения коленчатого вала, полностью нагружают двигатель на этой частоте и непрерывно измеряют угловое ускорение коленчатого вала, генерируют с привязкой по углу поворота коленчатого вала первую функцию неуравновешенной инерционной составляющей углового ускорения с амплитудой, равной измеренной, а также генерируют вторую функцию, связывающую активные силы, действующие в кривошино-шатунном механизме, с крутящим моментом двигателя, и в угловом интервале, равном или меньшем такта двигателя до и после условной верхней мертвой точки контролируемого цилиндра, непрерывно в фазе вычитают из измеренного ускорения его значение в условной верхней мертвой точке, аналогично вычитают первую функцию, находят отношение полученной разности и второй функции, полученную зависимость от угла поворота или от времени принимают за косвенную индикаторную диаграмму цилиндра двигателя, сравнивают эту диаграмму и ее числовые показатели с эталонными, измеренными предварительно и соотнесенными с аналогичными величинами для давлений в цилиндрах исправного нормального двигателя, а также с предварительными зависимостями изменения этих величин при изменении состояния двигателя от нормального до допустимого и предельного и по степени их близости классифицируют состояние двигателя.
2. Экспертная система для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания, содержащая датчики давления в цилиндрах с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, датчик угловых меток с отметчиком оборота, блок управления, пороговый триггер, блок ручного управления, приемник, электронно-вычислительную машину, цифровой индикатор, блок вывода, генератор тактовых импульсов, распределитель тактов, задатчик алгоритмов обработки, формирователь команд обработки, коммутатор, вычислительный блок, схему формирования импульсов коррекции, причем выходы датчика угловых меток подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, третий вход которого соединен через пороговый триггер с выходом одного из усилителей, четвертый вход блока управления соединен с блоком ручного управления, пятый вход подключен через приемник к электронно-вычислительной машине, первый выход блока управления подключен к первому входу цифрового индикатора и первому входу блока вывода, выход которого связан с электронно-вычислительной машиной, а второй выход блока управления соединен с управляющими входами аналого-цифровых преобразователей, третий выход блока управления соединен с первым входом вычислительного блока, четвертый выход подключен к корректирующим входам усилителей через схему формирования импульсов коррекции и первому входу формирователя команд обработки, второй вход которого соединен через задатчик алгоритмов обработки с выходами приемника, а третий выход с первым входом вычислительного блока, второй выход блока управления соединен с первым входом распределителя тактов, второй вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход распределителя тактов соединен с четвертым входом формирователя команд обработки и управляющим входом коммутатора, остальные входы которого подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей, причем выход коммутатора соединен с вторыми входами блока вывода и вычислительного блока, третий вход которого подключен к выходу формирователя команд обработки, а четвертый вход к первому выходу блока управления, второй выход вычислительного блока соединен с вторым входом блока цифрового индикатора и третьим входом блока вывода, кроме того, вычислительный блок содержит схему выбора экстремума, измеритель периода, цифровой дифференциатор, блок вычислений среднего индикаторного давления и блок регистров параметров, причем третий вход вычислительного блока является первым управляющим входом блока регистров и первым входом схемы выбора экстремума, цифрового дифференциатора, измерителя периода и блока вычисления среднего индикатора давления, выходы которых, а также первый и второй входы вычислительного блока подсоединены к информационным входам блока регистров, при этом второй вход вычислительного блока является вторым входом схемы выбора экстремума, цифрового дифференциатора и блока вычисления среднего индикаторного давления, третьим входом которых является выход блока регистров, четвертый вход блока вычисления среднего индикаторного давления является первым входом вычислительного блока, а выход цифрового дифференциатора соединен с четвертым входом схемы выбора экстремума, второй выход которой является первым выходом вычислительного блока, второй выход и четвертый вход которого являются соответственно выходом и вторым управляющим входом блока регистров, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены датчик угловых меток-зубьев, формирователь импульсов зубьев, элемент ИЛИ цикла, датчик впрыска топлива, усилитель впрыска, второй пороговый триггер, двойной цифровой дифференциатор, цифровой дискриминатор знака, измеритель экстремума ускорений, запоминающее устройство ускорений, арифметическое устройство, генератор функций, блок идентификации, задатчик моделей процессов, блок классификации состояний, задатчик функций изменения параметров, причем выход первого порогового триггера соединен с первым входом элемента ИЛИ цикла, выход которого соединен с третьим входом блока управления, датчик впрыска через последовательно соединенные усилитель впрыска и второй пороговый триггер подключен к второму входу элемента ИЛИ цикла, а датчик угловых меток-зубьев через формирователь импульсов зубьев соединен с шестым входом блока управления, пятый выход которого соединен с входом двойного цифрового дифференциатора, выход которого связан с первыми входами цифрового дискриминатора знака, измерителя экстремума ускорений и запоминающего устройства ускорений, выход цифрового дискриминатора знака подключен к седьмому входу блока управления, а выходы измерителя экстремума ускорений и запоминающего устройства ускорений соединены соответственно с первым и вторым входами арифметического устройства, вторые входы цифрового дискриминатора знака, измерителя экстремума ускорений, запоминающего устройства ускорений, третий вход арифметического устройства, первые входы блоков идентификации и классификации состояний соединены с первым выходом блока управления, а третьи входы измерителя экстремумов ускорений, запоминающего устройства ускорений, четвертый вход арифметического устройства, вход генератора функций, вторые входы блоков идентификации и классификации состояний, а также первые входы задатчика моделей процессов и задатчика функций изменения параметров соединены с выходом формирователя команд обработки, причем пятый вход арифметического устройства соединен с выходом генератора функций, а выход с вторыми входами вычислительного блока и блока вывода, третий вход блока идентификации, а также вторые входы задатчика моделей процессов и задатчика функций изменения параметров соединены с выходами вычислительного блока, четвертый вход с выходом задатчика моделей процессов, а выход с третьим входом блока классификации состояний, четвертый вход которого соединен с выходом задатчика функций изменения параметров, а выход с четвертым входом блока вывода, причем шестой выход блока управления соединен с вторым управляющим входом коммутатора.
3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что в блок управления, содержащий формирователи сигналов угловых меток, оборота, начала цикла и команд управления, счетчик текущего угла, избирательный блок, делитель периода и первый элемент И, причем к первому входу первого элемента И подключен выход формирователя команд управления, третий и четвертый входы которого являются соответственно четвертым и пятым входами блока управления, первый вход которого является входом формирователя сигналов угловых меток, а второй вход является входом формирователя сигналов оборота, при этом второй вход формирователя сигналов начала цикла является третьим входом блока управления, а выход подключен через счетчик текущего угла к входу избирательного блока и первому входу формирователя команд управления, причем выход счетчика текущего угла является третьим выходом блока управления, выход делителя периода соединен с третьим входом формирователя сигналов начала цикла, вторым входом счетчика текущего угла, вторым входом формирователя команд управления и вторым входом первого элемента И, подсоединен к первому выходу формирователя команд управления, а выход первого элемента И является вторым выходом блока управления, первым и четвертым выходами которого являются соответственно второй выход формирователя команд управления и выход избирательного блока, дополнительно введены два элемента ИЛИ и второй элемент И, причем выход формирователя сигналов угловых меток соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу делителя периода и первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с третьим выходом формирователя команд управления, причем выход формирователя сигналов оборота связан с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу формирователя сигналов начала цикла, выход второго элемента И и третий выход формирователя команд обработки являются соответственно пятым и шестым выходами блока управления, а вторые входы первого и второго элементов ИЛИ являются соответственно шестым и седьмым входами блока управления.