實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐 平,徐俊磊,金柏旭

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐 平,徐俊磊,金柏旭

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室沒有價(jià)格適中、能夠用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力測(cè)試的設(shè)備而不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，開發(fā)了一款能夠用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力測(cè)量系統(tǒng).該系統(tǒng)基于價(jià)格相對(duì)較低的國(guó)產(chǎn)缸壓傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，通過缸壓傳感器安裝方法及冷卻方式的設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)位置的確定方法及基于VC++的上位機(jī)軟件的開發(fā)等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的測(cè)量.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)壓力的采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)缸內(nèi)壓力的定量分析.該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生理解理論知識(shí)有著積極的作用.

缸內(nèi)壓力；測(cè)量；設(shè)計(jì)；開發(fā)；實(shí)驗(yàn)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量不斷增加，作為汽車核心部件的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于整車的燃油消耗和污染物的排放起著決定性作用，所以如何降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和減少污染物排放是發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域必須解決的問題[1].已有研究表明，通過氣缸內(nèi)壓力的變化可以分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的壓縮壓力、最大壓縮壓力、內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)變動(dòng)、摩擦損失和泵氣損失等重要參數(shù)[2-5]，進(jìn)而進(jìn)行缸內(nèi)燃燒過程分析，同時(shí)還可以作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷參數(shù)用于故障診斷[6]，甚至可以利用缸壓信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制[7-8].因此,準(zhǔn)確地采集缸內(nèi)壓力是必不可少的環(huán)節(jié).

與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程作為車輛工程專業(yè)較為重要的專業(yè)課，對(duì)于示功圖有著較詳細(xì)的敘述，但是對(duì)于如何獲取缸內(nèi)壓力曲線，由于受到設(shè)備的限制，無(wú)法讓學(xué)生自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)于示功圖部分的內(nèi)容沒有直觀感，不利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握.因此，開發(fā)價(jià)格便宜又能夠滿足缸壓測(cè)試要求的缸內(nèi)壓力測(cè)量系統(tǒng)就顯得尤為重要.為此，本研究利用價(jià)格相對(duì)較低的國(guó)產(chǎn)缸壓傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，基于單缸汽油機(jī)，開發(fā)了一套用于實(shí)驗(yàn)室的缸壓測(cè)量系統(tǒng)和配套的軟件系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué).

圖1 缸壓測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of cylinder measurement system

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、缸壓傳感器、電荷放大器、采集卡、角標(biāo)器和上位機(jī)程序組成，如圖1所示.圖1中，發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸汽油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)由原有化油器發(fā)動(dòng)機(jī)自主改造為電噴發(fā)動(dòng)機(jī)[9]，燃油噴射和點(diǎn)火系統(tǒng)全部可控，具體參數(shù)見表1；缸壓傳感器采用壓電式傳感器，該類型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，并且能夠承受較大的沖擊力，為此選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CY-YD-200型缸壓傳感器，該款傳感器為石英、水冷型，適合氣缸壓力測(cè)試，可靜態(tài)標(biāo)定；由于壓電型傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)較微弱，不能夠直接傳遞給采集卡，為此需要采用電荷放大器，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，從而進(jìn)行測(cè)量.同時(shí)，為了得到更好的兼容性，采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電荷放大器，型號(hào)為YE5850；采集卡的作用是將傳感器的信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，在本系統(tǒng)中采用了北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的USB 2002型采集卡，該采集卡可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的采集；角標(biāo)器采用歐姆龍編碼器，型號(hào)為E6B2-CWZ6C，最高輸出頻率為1 000脈沖/r；上位機(jī)軟件基于VC++自主開發(fā)完成.

表1 K157 FMI型發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of the K157 FMI

2 缸壓傳感器的安裝及冷卻

為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量燃燒室內(nèi)的壓力，缸壓傳感器安裝時(shí)應(yīng)該接近燃燒室.同時(shí),為了減少通道效應(yīng)，缸壓傳感器的底面應(yīng)該與燃燒室平齊安裝[10].但所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸風(fēng)冷汽油機(jī)，燃燒室頂部空間有限，故采用后縮式安裝方式，即在燃燒室的側(cè)面加工一個(gè)取壓通道，如圖2所示.為盡量減少通道效應(yīng)，該取壓通道孔徑為2 mm，深度為5 mm.

同時(shí)，缸壓傳感器內(nèi)部為壓電晶體，能夠耐受的溫度有限，所采用的缸壓傳感器的工作溫度為-40～300 ℃.對(duì)于風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說，機(jī)體溫度普遍較高，為了能使缸壓傳感器正常工作，不至于高溫?fù)p壞，采用外部冷卻的方式，由于該傳感器帶有冷卻系統(tǒng)接頭，故只在外部增加水冷系統(tǒng)用于冷卻即可,如圖3所示.

圖2 缸壓傳感器安裝位置Fig.2 Diagram of sensor installation location

圖3 缸壓傳感器水冷示意圖Fig.3 Diagram of cooling system of sensor

3 上止點(diǎn)的確定方法

在示功圖分析時(shí)，精確標(biāo)定上止點(diǎn)是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)[11-12].一般根據(jù)熱力學(xué)方法確定上止點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的方法是測(cè)取反拖工況下的壓縮壓力，再加上熱力損失角進(jìn)行修正，但是該方法需要知道熱力損失角，而不同轉(zhuǎn)速下的熱力損失角是不同的.

對(duì)于所采用的單缸汽油機(jī)來(lái)說，它自身的磁電機(jī)每轉(zhuǎn)一周會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，并且該信號(hào)與上止點(diǎn)之間的相位是固定的.同時(shí)，在前期開發(fā)的控制系統(tǒng)中也包含進(jìn)氣壓力信號(hào).這兩個(gè)信號(hào)都包含豐富的相位信息，可以提供相位基準(zhǔn).圖4為同時(shí)測(cè)量的進(jìn)氣壓力信號(hào)及磁電機(jī)觸發(fā)信號(hào)波形圖.從圖4可以看出，進(jìn)氣過程中壓力的波動(dòng)正好位于兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)之間，即進(jìn)氣過程結(jié)束后，第一個(gè)到來(lái)的觸發(fā)信號(hào)為壓縮沖程的觸發(fā)信號(hào)，據(jù)此可將兩次觸發(fā)信號(hào)區(qū)分開.

由于ECU微處理器的接口只能接收TTL電平信號(hào)，故將觸發(fā)信號(hào)通過整形電路處理成方波信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的處理電路如圖5所示.利用高速光電耦合器6N137作為數(shù)字開關(guān)，將觸發(fā)信號(hào)調(diào)理為只有高電平或低電平的數(shù)字形式信號(hào)，從而可以輸入控制單片機(jī).調(diào)理后的信號(hào)見圖6，可以利用該信號(hào)提供相位基準(zhǔn)，用于確定上止點(diǎn)位置.

圖4 觸發(fā)信號(hào)與進(jìn)氣壓力信號(hào)Fig.4 Intake air and trigger signals

圖5 觸發(fā)信號(hào)處理電路Fig.5 Treatment circuit of trigger signal

圖6 整形后觸發(fā)信號(hào)Fig.6 Trigger signal after shapping

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，它由模/數(shù)轉(zhuǎn)換、角標(biāo)信號(hào)調(diào)理、上止點(diǎn)信號(hào)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)4個(gè)部分組成.數(shù)據(jù)采集過程由采集系統(tǒng)獨(dú)立完成，采集結(jié)果暫存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū).其中，角標(biāo)信號(hào)調(diào)理部分根據(jù)軟件的設(shè)定，對(duì)角標(biāo)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的角標(biāo)脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，并將分頻后的信號(hào)送至采樣觸發(fā)脈沖發(fā)生器，發(fā)出采樣脈沖信號(hào)；模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分將模擬信號(hào)經(jīng)模擬開關(guān)送入相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器，采樣觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)出采樣脈沖，控制A/D同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)控制，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到靜態(tài)RAM.有些光電式角標(biāo)信號(hào)發(fā)生器能夠輸出90°相位差的兩列方波信號(hào)，當(dāng)有兩路角標(biāo)信號(hào)同時(shí)送入采集卡時(shí)，調(diào)理電路將這兩路信號(hào)進(jìn)行異或處理，使得n線的角標(biāo)信號(hào)發(fā)生器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生4n個(gè)脈沖信號(hào).如圖8所示.如此，利用900線的角標(biāo)器即可產(chǎn)生0.1°CA的角標(biāo)信號(hào).

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.7 Diagram of data collecting system

圖8 角標(biāo)信號(hào)調(diào)理示意圖Fig.8 Diagram of crack angle signal after conditioning

5 控制軟件

在采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了能將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行演示分析，需要開發(fā)對(duì)應(yīng)的軟件.由于阿爾泰公司的采集卡提供了基于VC++的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，故基于VC++開發(fā)了對(duì)應(yīng)的軟件[13]，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ).

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件共有3個(gè)功能:一是數(shù)據(jù)采集，二是信號(hào)分析，三是幫助信息.其中,數(shù)據(jù)采集部分是本軟件的主要部分，負(fù)責(zé)缸壓信號(hào)的采集，監(jiān)測(cè)按鈕能夠?qū)Ω讐盒盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，給出文件名,利用存儲(chǔ)按鈕可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；信號(hào)分析部分可以對(duì)缸壓信號(hào)進(jìn)行離線分析；幫助部分對(duì)該系統(tǒng)缸壓傳感器的設(shè)置、冷卻水等進(jìn)行必要的說明.

5.1干擾數(shù)據(jù)的剔除

采集卡采集到的氣缸壓力數(shù)據(jù)一般都帶有干擾信號(hào)，如圖9所示.為了能將干擾信號(hào)去除，采用光順方法進(jìn)行干擾信號(hào)的剔除，具體算法如下：

圖9 帶干擾的缸壓信號(hào)Fig.9 Cylinder pressure signal with noise

式中：psi為光順過的壓力；p為原始?jí)毫?；i為光順點(diǎn)序號(hào).

5.2基準(zhǔn)壓力的確定

壓電傳感器輸出信號(hào)是一個(gè)與壓力變化相關(guān)的電荷變化量，經(jīng)電荷放大器放大輸出一個(gè)與壓力變化成比例的電壓信號(hào).要得到壓力信號(hào)的絕對(duì)值，首先必須確定基準(zhǔn)壓力,確定基準(zhǔn)壓力最常用的方法如下：①采用內(nèi)部基準(zhǔn)，設(shè)定某一曲柄轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力值，但汽油機(jī)因?yàn)橛泄?jié)氣門的影響，不宜采用這種方法；②采用外部基準(zhǔn)，利用進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器提供基準(zhǔn)壓力；③采用熱力學(xué)基準(zhǔn)，調(diào)整壓縮過程多變指數(shù)到某一已知的數(shù)值.為此,在本次設(shè)計(jì)中采用了外部基準(zhǔn)，但是在確定基準(zhǔn)壓力時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是壓電傳感器輸出信號(hào)的基值波動(dòng).

圖10所示為起動(dòng)過程中測(cè)得的壓電傳感器輸出的缸壓信號(hào)，其相繼循環(huán)的壓力線基準(zhǔn)存在明顯波動(dòng)(假設(shè)以第一次循環(huán)結(jié)束后的壓力為基準(zhǔn)，下同).即使在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，壓力基準(zhǔn)也不是同一個(gè)值，這樣就很難對(duì)壓力曲線的基準(zhǔn)壓力進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定.

圖11所示為穩(wěn)定工況下壓電傳感器輸出的缸壓信號(hào),其相繼循環(huán)的壓力線基準(zhǔn)值基本不變，故只要確定其基準(zhǔn)值與實(shí)際壓力值的關(guān)系就可得到壓力曲線的絕對(duì)數(shù)值.

圖10 啟動(dòng)過程實(shí)測(cè)缸壓信號(hào)Fig.10 Test cylinder pressure signal at start process

圖11 穩(wěn)態(tài)過程實(shí)測(cè)缸壓信號(hào)Fig.11 Test cylinder pressure signal at state condition

6 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

對(duì)車輛工程等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說，內(nèi)燃機(jī)原理是必修課，而示功圖的測(cè)量能夠用于計(jì)算平均指示壓力、指示功率及判斷燃燒情況.為此，在完成相關(guān)的設(shè)計(jì)工作之后，對(duì)所設(shè)計(jì)的缸壓采集系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖測(cè)量實(shí)驗(yàn).

圖12 實(shí)測(cè)示功圖Fig.12 Tested indicator diagram

圖12為利用該系統(tǒng)采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)的示功圖.由圖12可知,在該轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最大缸內(nèi)壓力是1.05 MPa，最高壓力點(diǎn)出現(xiàn)在374°CA.由此可知，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成缸內(nèi)壓力的采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)缸內(nèi)壓力的定量分析.

7 結(jié)語(yǔ)

本課題介紹了一種用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的測(cè)量系統(tǒng)，分別從缸壓傳感器的安裝、上止點(diǎn)的確定方法、數(shù)據(jù)采集及控制軟件的開發(fā)等方面進(jìn)行了分析，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力的測(cè)量，并且可以利用軟件對(duì)缸壓曲線進(jìn)行定量分析.

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Designsanddevelopmentofexperimenttestsystemforenginecylinderpressure

XUPing,XUJunlei,JINBaixu

(CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Due to the high price of the engine cylinder pressure test equipment in the laboratory which weakens the practice teaching, one engine cylinder pressure measurement system was designed and developed in the laboratory. This system is based on domestic cylinder pressure sensor and data acquisition card whose price is relatively low. Then the cylinder pressure sensor installation method and cooling mode, top dead center (TDC) determining methods was realized and the software for the cylinder pressure measurement system was developed based on the VC++ platform which enabled the engine cylinder pressure measurable. It is proved by the experiment test that the measurement system can achieve engine cylinder pressure measurement and cylinder pressure analysis quantitatively. So this measurement system is helpful to improve the understanding of the theoretical knowledge.

cylinder pressure; measurement; design; development; experiment

TH812

A

1674-330X(2017)03-0028-05

2017-04-01

河南省教育技術(shù)裝備和實(shí)踐教育研究資助項(xiàng)目(201518)

徐平(1980-)，女，山東濟(jì)南人，助教，主要研究方向?yàn)闇y(cè)量技術(shù)及電子控制技術(shù).