基于Zigbee的活塞頂面瞬態(tài)溫度遙測系統(tǒng)

任姣，張衛(wèi)正，原彥鵬，張帥，酈紹光

(北京理工大學動力系統(tǒng)工程研究所，北京 100081)

活塞作為內(nèi)燃機的核心部件，其頂面容易出現(xiàn)高周疲勞破壞[1-2]、燒蝕、熱裂紋等熱損傷現(xiàn)象[3]，嚴重影響高強化柴油機運行的可靠性?；钊砻嫠矐B(tài)溫度是評估活塞熱變形、熱應力的重要參數(shù)，準確地測量活塞頂面瞬態(tài)溫度的變化對降低有害物質(zhì)的排放以及提高內(nèi)燃機運行的可靠性等都具有重要的學術意義和工程價值。

目前，活塞頂面瞬態(tài)溫度測試方法主要有引線式、儲測式、遙測式以及互感式，其中引線式測溫使用比較廣泛，如國外Eicheberg[4]、Assina[5]等利用引線式方法進行了活塞測溫，但該方法對發(fā)動機改動較大，需要較大的曲軸箱空間，不適用于小型內(nèi)燃機。張志勇[6]、王慶峰[7]將儲測式測溫技術運用到活塞測溫中，發(fā)現(xiàn)該技術具有良好的可靠性和測試精度，但整個測試的數(shù)據(jù)需要停機拆卸后才能獲得。與儲測式技術相比，遙測式技術[8-9]具有實時獲得活塞表面溫度數(shù)據(jù)和測試系統(tǒng)工作狀況信息的優(yōu)點，互感式技術[10-11]可以應用于高轉(zhuǎn)速內(nèi)燃機活塞測溫，但電磁信號容易受到干擾。

缸內(nèi)復雜環(huán)境對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴岢鲚^高要求。目前常見的短距離無線通信技術包括IrDA，Bluetooth，Zigbee等幾種。IrDA在測試過程中會存在油霧干擾與安裝困難的問題；Bluetooh技術功耗較大，并且在溫度高于100 ℃時會出現(xiàn)工作不可靠的問題[8]；Zigbee技術由于具有高可靠性、低成本、低功耗、低延遲、網(wǎng)絡容量大且自組網(wǎng)和自愈能力極強的優(yōu)勢，在工業(yè)領域應用正在迅速發(fā)展[12]。為滿足測試要求，本研究最終選擇Zigbee技術組建無線遙測系統(tǒng)以實現(xiàn)對活塞頂面瞬態(tài)溫度的測量。

本研究的目的在于開發(fā)一個全新的內(nèi)燃機缸內(nèi)遙測平臺，設計開發(fā)遙測系統(tǒng)的軟件與硬件系統(tǒng)，使用Zigbee無線通信技術作為溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，從而實現(xiàn)活塞頂面瞬態(tài)溫度的測試，并通過試驗驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量的準確性。

1 測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

活塞頂面瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)可以分為內(nèi)燃機缸內(nèi)模塊與缸外模塊兩部分。

圖1 活塞頂面瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)架構(gòu)示意

缸內(nèi)模塊可分為傳感器信號調(diào)理模塊、信號控制電路模塊、無線通信模塊。傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于AD轉(zhuǎn)換模塊的信號，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量存入數(shù)據(jù)存儲器模塊中，微控制器將存儲器中的溫度數(shù)據(jù)輸送至無線模塊發(fā)送至缸外接收端，缸外接收端通過USB通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機。同時用戶的一些控制指令通過USB發(fā)送至缸外無線模塊，再由缸外無線模塊發(fā)送至缸內(nèi)無線模塊，缸內(nèi)的無線通信模塊與微控制器根據(jù)指令執(zhí)行相應的操作。

2 硬件電路設計

本研究主要設計了缸內(nèi)模塊的瞬態(tài)溫度采集系統(tǒng)電路、無線通信系統(tǒng)電路和電源系統(tǒng)電路，無線通信模塊采用CC2630系列單片機作為信號發(fā)射模塊的主芯片，電源模塊電路主要由電池和電壓轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。

2.1 瞬態(tài)溫度采集系統(tǒng)電路

瞬態(tài)溫度采集系統(tǒng)電路由熱電偶冷端補償電路、信號放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、微控制器外圍電路與RAM存儲器電路組成。微控制器采用PIC16LF1827單片機，本研究還使用其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)換。存儲器采用CY15B102Q鐵電晶體存儲器，與微控制器之間采用SPI串口通信。

2.1.1熱電偶冷端補償電路

測試電路一般安裝在活塞裙部，即熱電偶的冷端在活塞的裙部。由于內(nèi)燃機不同工況下裙部溫度會有較大的變化，而熱電偶的冷端溫度會對其熱電勢的輸出有較大的影響，因此需要對其進行冷端補償。補償電路見圖2。

圖2 熱電偶冷端補償電路

本研究選用K型熱電偶，要實現(xiàn)熱電偶的冷端補償，則需要在任何溫度下都要滿足式(1)所示的關系：

(1)

式中：f(t0)為熱電偶的冷端輸出熱電勢與其所處的環(huán)境溫度的關系；Rpt為Pt100熱電阻，用于測試熱電偶冷端的環(huán)境溫度。兩者的關系式見式(2)：

(2)

式中：k與b根據(jù)K型熱電偶標準分度表擬合得到，k的取值為4×10-5，b的取值為10-5；α為電阻系數(shù)，其值為0.003 92 Ω/℃，R0為溫度為0 ℃時Pt100的電阻值，本研究中為100 Ω。

聯(lián)立式(1)與式(2)可得R1與R的值分別為32.4 kΩ與100 Ω。

2.1.2信號放大電路

缸內(nèi)復雜的電磁環(huán)境可能會對熱電偶信號造成強烈的共模干擾，而熱電偶信號自身為差模信號。因此要求放大器能夠抑制共模信號，放大差模信號。本研究選用INA128差分放大器作為K型熱電偶的信號放大器。K型熱電偶的信號放大電路見圖3。

圖3 熱電偶信號放大電路

由圖3可見，熱電偶及其夾雜的噪聲信號首先經(jīng)過冷端補償電路，然后分為V+與V-兩路輸出至INA128的差分輸入口。而INA128內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個典型的三運放結(jié)構(gòu)，并且其電源由±3.3 V提供，其輸出增益由電阻值RG決定，計算公式見式(3)：

(3)

式中：G為放大器增益；RG為INA128外接電阻值。

INA128輸入差分電壓與輸出電壓之間的關系見式(4)：

Vout-Vref=G×(V+-V-)。

(4)

將Vref接地使其電勢為0，可得放大器的輸出電壓是熱電偶電勢乘以放大倍數(shù)。試驗中該鋁合金活塞頂面最高溫度未超過550 ℃，通過查找K型熱電偶標準分度表可得550 ℃時其輸出熱電勢為22.772 mV。為了保證AD轉(zhuǎn)換精度，采用單片機內(nèi)部的2.048 V作為AD轉(zhuǎn)換的參考電壓。為了滿足測試精度要求，將外接電阻值選為562 Ω，此時INA128增益為89.96，增益誤差在0.5%以內(nèi)，滿足瞬態(tài)溫度測試要求。

2.2 PCB板

本研究采用protelDXP進行電路的PCB板設計，數(shù)據(jù)采集電路的PCB板三維圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路PCB板三維圖

該PCB板子分為上下兩層，電路板的正面主要包括電源電路、數(shù)據(jù)存儲電路、PIC單片機及其外圍電路、熱電偶及其信號調(diào)理電路和電源接口，電路板背面主要是冷端補償電路、數(shù)字溫度傳感器外圍電路與負電源電路。在電路板空余位置全部進行敷銅處理，這樣一方面可以增加電路板的抗干擾性能，同時也可以增加電路板的導熱性能，使整個電路板的溫度場分布更加均勻，有利于提高熱電偶的測試精度。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件

數(shù)據(jù)采集模塊的軟件流程框圖見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊流程框圖

由圖5可知，采集模塊先進行設備的初始化，包括UART串口通信模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、SPI通信模塊、定時器模塊與外部中斷模塊。程序功能主要是對這些模塊的一些參數(shù)進行設置，以滿足瞬態(tài)溫度采集要求。然后數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)計算機發(fā)送的指令執(zhí)行相應的操作，其中瞬態(tài)溫度采集子程序?qū)Υa執(zhí)行的實時性要求最高，其軟件流程框圖見圖6。

由圖6可知，瞬態(tài)溫度采集子系統(tǒng)程序主要分為主程序、AD轉(zhuǎn)換子程序以及定時器處理子程序。為了滿足瞬態(tài)溫度采集對代碼的實時性要求，AD轉(zhuǎn)換以及定時器均采用中斷的方式進行處理。系統(tǒng)會根據(jù)計算機發(fā)送的當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動計算出能夠準確測得當前活塞頂面瞬態(tài)溫度的采樣頻率。不同的采樣頻率通過改變定時器的定時時長實現(xiàn)。

3.2 無線通信模塊軟件

無線通信模塊主要分為兩部分，分別是Zigbee協(xié)調(diào)器與Zigbee終端[13]。其中Zigbee協(xié)調(diào)器與計算機之間采用USB進行通信，而Zigbee終端與數(shù)據(jù)采集模塊的微控制器之間則采用UART串口進行通信。

協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)三項功能：組建Zigbee無線網(wǎng)絡；接收計算機發(fā)送的控制指令并通過無線發(fā)送至缸內(nèi)無線通信終端；接收終端發(fā)送的無線數(shù)據(jù)并通過USB傳遞至計算機。

終端設備主要實現(xiàn)四項功能：自動搜尋Zigbee網(wǎng)絡并加入其中；接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的無線指令并執(zhí)行對應的操作；接收采集端發(fā)送的UART串口數(shù)據(jù)，并通過無線方式發(fā)送至協(xié)調(diào)器；采集PCB板載溫度傳感器的溫度信號并發(fā)送至上位機，以實時監(jiān)測缸內(nèi)測試系統(tǒng)的工作溫度，防止高溫損壞測試系統(tǒng)。本研究主要設計了CC2630的底層UART驅(qū)動程序。

4 測試系統(tǒng)安裝

4.1 瞬態(tài)熱電偶安裝

由于4100QB-2的活塞結(jié)構(gòu)比較緊湊，而瞬態(tài)熱電偶的尺寸又相對較大，因此需要選擇合適的位置來安裝熱電偶，防止與活塞銷和連桿小頭發(fā)生干涉。綜合考慮曲軸平衡重、連桿小頭和活塞的尺寸，最終選擇活塞排氣側(cè)銷孔附近鉆孔安裝瞬態(tài)熱電偶(見圖7)。

圖7 瞬態(tài)熱電偶安裝示意

4.2 測試模塊安裝

測試模塊安裝過程中必須盡可能減小對內(nèi)燃機工作過程的影響，并且確保測試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。安裝位置的選擇主要考慮避讓連桿以及曲軸的平衡重。選用高溫膠將鋁制保護金屬盒固定在進氣側(cè)活塞裙部，將電路板放置在盒子中以起到保護作用。由于電池尺寸較大，將其安裝在連桿工字形凹槽中，通過彈簧保護套管保護電源線，并將電源線沿著活塞壁面連接至電路板中，安裝結(jié)構(gòu)見圖8。經(jīng)過試驗驗證發(fā)現(xiàn)，這種安裝方式能夠確保系統(tǒng)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 200 r/min下長時間穩(wěn)定可靠工作。

圖8 遙測系統(tǒng)安裝示意

5 試驗結(jié)果

試驗用柴油機為4100QB-2直列4缸柴油機，缸徑為100 mm，最大功率66.2 kW，最大扭矩230 N·m，標定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min。分別研究了發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及扭矩對活塞頂面瞬態(tài)溫度的影響。

5.1 轉(zhuǎn)速對活塞頂面瞬態(tài)溫度的影響

由圖9可知，隨著轉(zhuǎn)速升高，燃燒持續(xù)期外的基準溫度沒有明顯的變化規(guī)律，但是循環(huán)溫度波動值隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。這一現(xiàn)象與Sani[14]對非直噴式柴油機缸蓋火力面的瞬態(tài)溫度測試所得結(jié)果類似。

圖9 100 N·m不同轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)溫度波動

由圖可知，當轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時燃燒持續(xù)期外的基準溫度以及燃燒持續(xù)期內(nèi)的溫度波動都大于其余3個轉(zhuǎn)速，這是由于在1 500 r/min時缸內(nèi)氣流組織較弱，燃油噴射壓力較低，導致柴油霧化以及油氣混合較差。這樣會使滯燃期變長，從而使后續(xù)在急燃期內(nèi)燃燒的柴油量增加，導致在急燃期內(nèi)燃油迅速燃燒并釋放出大量的熱量，使溫度迅速升高。同時上述情況會導致后燃極其嚴重，這會增加向活塞的傳熱時間，使活塞燃燒持續(xù)期外的平均溫度上升。

5.2 扭矩對活塞頂面瞬態(tài)溫度的影響

由圖10可知，隨著扭矩的增大，燃燒持續(xù)期外的平均溫度以及燃燒持續(xù)期內(nèi)的溫度波動增大。上述規(guī)律與N. Dennis[15]等采用四連桿機構(gòu)對單缸柴油機活塞頂面瞬態(tài)溫度測試所獲得的規(guī)律相似。

圖10 1 900 r/min時不同扭矩下活塞頂面瞬態(tài)溫度

產(chǎn)生上述變化的原因是在轉(zhuǎn)速相同的情況下，扭矩的增大會導致循環(huán)噴油量增大，從而提高了燃氣的溫度。而燃氣溫度的增加勢必會增加向活塞導熱的熱流，因此會導致整體基礎溫度提高。同時噴油量的增加會導致滯燃期內(nèi)累積的柴油增多，形成的可燃混合氣增多，在后續(xù)的急燃期與慢燃期中迅速燃燒并釋放出大量的熱量，因此會使燃燒持續(xù)期內(nèi)的溫度波動幅值增大。但是當轉(zhuǎn)速增加時，由于燃燒速度加快以及傳熱時間減小，會使波動幅值的增加幅度減小，例如轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時循環(huán)溫度波動隨著扭矩的提高變化不如轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時明顯。

6 結(jié)束語

以Zigbee作為溫度數(shù)據(jù)傳輸載體，開發(fā)了一套活塞瞬態(tài)溫度測量系統(tǒng)；對活塞瞬態(tài)溫度測量系統(tǒng)進行了硬件電路設計以及系統(tǒng)軟件設計，硬件系統(tǒng)主要包括瞬態(tài)溫度采集系統(tǒng)電路、無線通信電路、電源電路等，系統(tǒng)軟件則包括計算機與Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee終端以及PIC單片機之間的通信協(xié)議。將活塞測溫系統(tǒng)進行實機試驗，成功驗證了系統(tǒng)工作的可靠性，系統(tǒng)所測的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與國外研究人員所測的瞬態(tài)溫度變化規(guī)律吻合。