柴油十六烷值測定機的研究

廖 威

（上海神開石油儀器有限公司，上海 201114）

0 引言

十六烷值是判斷柴油著火性能的一項重要指標[1,2]，是柴油進入到市場前的必檢項目。目前，國內(nèi)測量柴油十六烷值方法有模擬法、等容燃燒室法、風量法等，但壓縮比法測量（GBT 386-2010標準規(guī)定的方法）是目前唯一一種仲裁方法。目前，中石化、中石油以及第三方檢測機構(gòu)普遍使用WAUKESHA柴油十六烷值測定機來評定柴油樣品。因進口儀器價格昂貴、售后服務響應周期長、數(shù)據(jù)顯示不夠直觀、流量測量以及噴油角度調(diào)整對操作員熟練程度要求高等因素，開展了全新一代國產(chǎn)柴油十六烷值機的研究。

1 儀器設計原理

將柴油樣本通過電控泵-噴槍噴入封裝式單缸四沖程循環(huán)發(fā)動機燃燒室中，與過濾并加熱后的空氣進行混合，通過調(diào)節(jié)小活塞行程來控制燃燒室容積，即調(diào)節(jié)壓縮比，實現(xiàn)柴油或標油的壓燃。其中，電控泵為柱塞式電控泵，其噴射動力由發(fā)動機凸輪軸提供，建壓時間點由十六烷值機主控單元控制。電控泵建壓，將燃油通過電控泵-高壓油管噴射至噴槍，噴油壓力到達噴槍開啟壓力后，噴槍打開，將燃油噴射霧化后至發(fā)動機燃燒室中。噴槍尾部安裝噴油傳感器，檢測噴槍開啟時間點，通過控制電控泵建壓時間點來實現(xiàn)噴槍打開時間點，即噴油時間點，其中時間點以曲軸度數(shù)表示，噴油時間點控制在上止點前13°±0.1°。發(fā)動機燃燒室安裝爆震傳感器，檢測燃油燃燒時間點。燃燒時間點與噴油時間點之前的時間差換算成曲軸角度，即著火滯后期，通過調(diào)節(jié)手輪、改變壓縮比，將著火滯后期調(diào)整至13°±0.2°，讀出此時的手輪讀數(shù)。測量柴油十六烷值還需兩個標準燃料油按照同樣方法測出手輪讀數(shù)，然后通過《GBT 386-2010柴油十六烷值測定法》提供的內(nèi)插法計算出柴油十六烷值。

2 電氣系統(tǒng)設計

2.1 總體框圖

電氣整體框圖如圖2所示，工況檢測傳感器是用于檢測系統(tǒng)溫度、壓力等的傳感器。其中，溫度采用Pt100來檢測，MCU控制進氣加熱管輸出功率，應用PID算法，控制在66℃±0.5℃。凸輪軸傳感器用于檢測凸輪軸相位。噴油傳感器和爆震傳感器是本設計的關鍵，二者配合檢測燃油著火滯后期。激光位移傳感器用于檢測小活塞手輪讀數(shù)，該傳感器檢測精度直接影響試驗結(jié)果。流量檢測傳感器用于檢測噴油流量。MCU與工業(yè)平板電腦通過RS232串口通訊來交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機交互功能。

圖2 電氣系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of electrical design

2.2 噴油系統(tǒng)的設計與研究

2.2.1 噴油時序的研究

噴油系統(tǒng)是柴油十六烷值測定機設計的核心。圖3為信號檢測示意圖，信號盤安裝在凸輪軸上，旋轉(zhuǎn)方向如圖3箭頭所示。信號盤上設計兩個缺口，兩個缺口均在上止點前。凸輪軸相位傳感器檢測到缺口后，信號發(fā)生突變，MCU捕捉突變信號的上升沿，來定位凸輪軸當前位置。兩個缺口的上升沿之間的夾角是固定的，本設計中夾角為40°。第二個缺口的上升沿用于定位噴油系統(tǒng)的基準位置，該位置可通過標定獲得。

圖3 信號檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of signal detection

圖4為噴油系統(tǒng)工作時序圖。通過對時序圖各個時間點的解剖來分析噴油系統(tǒng)工作過程。

圖4 噴油系統(tǒng)工作時序圖Fig.4 Working sequence diagram of fuel injection system

1）基準位置到后，MCU計算當前每轉(zhuǎn)1度需要的時間ΔΦ=40/T0。

2）建壓時間點由系統(tǒng)給定，為可變角度值，本文中用A表示該值，則T1=A/ΔΦ。MCU內(nèi)部計時，經(jīng)過T1時間后，MCU控制電控泵內(nèi)部電磁閥動作，開始建壓。

3）電控泵從開始建壓到達到噴槍噴嘴開啟的壓力之前的時間段稱為建壓時間，該時間與油品的粘度、密度以及環(huán)境溫濕度有關。

4）建壓時間到后，噴槍噴嘴打開，燃油噴出，此時噴油傳感器輸出突變脈沖?；鶞饰恢糜上到y(tǒng)給定，為對應上止點角度，本文中用B表示。噴油時間點對應的角度與上止點之間的角度差稱為噴油角度，本文中用C表示噴油角度，則C=B-T3×ΔΦ。

5）燃油噴到發(fā)動機燃燒室之后，與加熱后的空氣混合，經(jīng)過一個壓燃的過程，直至燃燒，產(chǎn)生爆震。從噴油時間點到爆震時間點對應的角度差稱為著火滯后期，本文中用D表示，則D=T4×ΔΦ。

2.2.2 噴油角度自動控制設計

本文中設計自動動態(tài)調(diào)整電控泵建壓時間點，從而實時控制噴油角度在上止點前13°±0.2°，具體調(diào)整方式如圖5所示。

圖5 動態(tài)調(diào)整噴油角度框架圖Fig.5 The frame of dynamic adjustment for injection angle

在柴油樣品評定中，油品的粘度、密度、環(huán)境溫度，以及噴槍的機械摩擦均會對噴油角度產(chǎn)生影響，通過動態(tài)監(jiān)控并調(diào)整噴油角度的方法，確保燃油每個周期噴出的時間點一致，為后續(xù)著火滯后期準確判定提供保障。同時，為驗證系統(tǒng)捕捉的噴油角度與實際是否吻合，本設計中在上止點處安裝光電傳感器，用于檢測上止點信號，用示波器觀察噴油信號與上止點信號，如圖6所示。該波形捕捉時電腦顯示噴油角度為上止點前12.97°，來驗證波形顯示是否一致。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為900r/min，基本穩(wěn)定，則每度對應的時間是185.19us，波形上噴油信號與上止點信號時間差約在2400us，計算的噴油角度為12.96°，與顯示值基本一致。

圖6 噴油處理信號與上止點信號波形圖Fig.6 Waveform of injection processing signal and TDC signal

2.3 關鍵模塊的研究與設計

2.3.1 噴油信號檢測

噴槍尾部安裝噴油感應針，噴槍噴嘴打開，噴油感應針動作，噴油檢測模塊通過檢測噴油感應針動作的起始時刻來檢測燃油起噴時間點。根據(jù)法拉第感應定律設計噴油信號檢測模塊，如圖7所示。噴油感應針動作，穿過線圈的磁通量變化，在線圈上產(chǎn)生一個微弱的電動勢，該電動勢與磁通量的變化率成正比[3]。

圖7 噴油檢測模塊示意圖Fig.7 Schematic diagram of fuel injection detection

圖8為噴油信號與處理后信號波形圖，噴油信號為圖7所示線圈兩端信號。噴油信號分為3個階段，分別為起噴階段、抖動階段、回零階段。起噴階段，噴油開始，燃油在高壓下推動彈簧向后運動，進而噴油感應針動作，信號在200us左右快速提升到400mV左右。信號反應的是噴油感應針的速度，此時凸輪軸位于行線最陡峭位置，燃油通過電控泵-高壓油管-噴槍，通過噴嘴快速噴出。信號到達峰值之后，因彈簧的預緊力以及凸輪行線的改變，噴油感應針向后移動速度降低，信號從峰值降至零軸附近，此時噴嘴完全打開。起噴階段結(jié)束，進入抖動階段，為保證噴油流量，此時燃油泵停止噴油，如圖9所示。高壓油管內(nèi)殘留的壓力穩(wěn)定性、噴嘴噴油的連續(xù)性、燃油的密度、粘度等均會導致噴油感應針不同程度的抖動，如圖8，圖9所示為不同油品的噴油信號。該抖動時間約1ms左右，該階段噴槍噴嘴完全打開，高壓油管內(nèi)的燃油繼續(xù)噴出?；亓汶A段，高壓油管內(nèi)的殘壓低于彈簧的預緊力，在彈簧的作用力下，噴油感應針反方向運動，速度和彈簧的預緊力有關。噴油信號從零軸附近降至-400mV左右，又回到零軸，噴油感應針回到初始狀態(tài)。

圖8 噴油信號與處理后信號Fig.8 signal and processed signal of injection

圖9 電控泵信號與噴油信號Fig.9 Electronic control pump signal and fuel injection signal

通過對噴油信號的分析，筆者認為GBT 386-2010標準所述的開始噴油應指起噴階段信號從零軸開始突變的時刻。本文中，噴油信號經(jīng)過濾波、放大、信號比較等處理之后，轉(zhuǎn)換成為MCU可識別的上升沿信號，如圖8所示噴油處理信號。信號處理電路設計的關鍵在于信號起點的捕獲、高頻信號干擾的濾除、抖動階段信號的濾除。

2.3.2 流量檢測

柴油十六烷值測定實驗中，流量檢測的精度直接影響十六烷值測定準確度。在本設計中，流量自動測量，提高測量精度。具體測量方式如下：在流量管上下各安裝一對霍尼韋爾光電二極管、光電三極管，上下光電管之間的高度固定，換算成體積為6.5mL。光電二極管功率恒定，凹液面經(jīng)過上下光電時，光電三極管接收的光強發(fā)生變化，進而輸出信號發(fā)生變化。該信號經(jīng)過處理后，由MCU的A/D引腳采集，液面經(jīng)過上下光電的時間點由軟件進行處理獲取。

2.3.3 手輪讀數(shù)檢測

為提高柴油十六烷值評定的自動化程度，本文中采用激光位移傳感器檢測手輪讀數(shù)，量程20mm，精度35um，輸出4mA～20mA電流信號，該信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換成電壓信號進入MCU的A/D引腳。

3 軟件設計

本設計中，控制系統(tǒng)的軟件采用上下位機的形式編寫。上位機在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境下，應用C++語言編寫，實現(xiàn)人機交互功能。下位機在MPLAB環(huán)境下采用C語言編寫。上下位機的通訊采用Modbus協(xié)議編寫，制定了詳細的命令字段和數(shù)據(jù)字段，保證通訊的穩(wěn)定、準確。

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件采用模塊化設計，如圖10所示。試驗過程控制模塊控制實驗按標準流程逐步進行。動態(tài)波形顯示包括進氣溫度、冷卻水溫度、機油溫度等波形，設計中應用Microsoft Visual Studio 2010提供的CDC類成員函數(shù)進行動態(tài)波形繪制。動態(tài)化波形顯示，用戶對于儀器穩(wěn)定性的判別更加直觀。限幅平均濾波算法主要針對噴油角度數(shù)據(jù)、著火滯后期數(shù)據(jù)進行濾波，濾波算法如下：取N個數(shù)據(jù)組成隊列，采用先進先出原則，保證隊列固定長度為N，采用冒泡排序方法對數(shù)據(jù)進行排序，在隊列中取中間段數(shù)據(jù)進行平滑濾波，隊列的長度及中間段取值數(shù)據(jù)長度應兼容數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和動態(tài)響應性。

圖1 儀器設計原理圖Fig.1 Design principle of the instrument

圖10 上位機軟件設計框圖Fig.10 Frame of host computer software design

配置參數(shù)讀寫模塊用于讀寫系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力的標定數(shù)據(jù)、手輪讀數(shù)的標定數(shù)據(jù)、進氣溫控PID參數(shù)等，配置文件以ini文件存儲。本文中采用Sqlite數(shù)據(jù)庫來存儲試驗結(jié)果，Sqlite是一種開源嵌入式輕型數(shù)據(jù)庫，因其操作方便、無需安裝、跨平臺以及獨立性被應用到很多嵌入式設備中[4,5]。實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）是基于網(wǎng)口實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的收集、分析、報告及管理[6]。本設計中，通過加載外部ini文件來實現(xiàn)中英文切換。

3.2 下位機程序設計

下位機程序在主循環(huán)及各個中斷中運行，設計框圖如圖11所示。系統(tǒng)初始化是指MCU的I/O引腳、內(nèi)部定時器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等初始化，系統(tǒng)工況信號經(jīng)過處理后進入MCU的A/D引腳。溫控PID算法是通過控制加熱管輸出功率來控制進氣溫度，滿足標準要求66℃±0.5℃。串口數(shù)據(jù)處理是應用MCU的UART模塊接收上位機發(fā)送的命令，解析后執(zhí)行相應的驅(qū)動操作以及向上位機數(shù)據(jù)反饋。信號輸入捕獲是利用MCU的輸入捕獲功能捕獲噴油信號、爆震信號、凸輪軸信號以及轉(zhuǎn)速信號，通過捕獲信號的上升沿，產(chǎn)生中斷來獲取各個信號產(chǎn)生的時間點，從而計算各個信號之間的時間差，換算成角度之后發(fā)送至上位機。馬達、電控泵等控制由MCU的I/O引腳來控制，實現(xiàn)發(fā)動機運轉(zhuǎn)、電控噴油等操作。

圖11 下位機程序設計框圖Fig.11 The frame of slave mechine design

4 測試數(shù)據(jù)分析

十六烷值測定器設計完成之后，為驗證儀器油樣評定的準確性，將多個樣品油送至中石油、中石化以及第三方檢測機構(gòu)，應用WAUKESHA柴油十六烷值測定儀器進行數(shù)據(jù)對比，試驗結(jié)果均吻合，滿足標準規(guī)定的再現(xiàn)性要求。表1為WAUKESHA儀器與本公司柴油十六烷值儀器油樣評定對比表。

表1 油樣評定對比Table 1 Comparison of sample evaluation

5 結(jié)束語

柴油十六烷值測定機采用工業(yè)觸摸屏電腦，操作簡單，人機界面友好。著火滯后期、溫度、壓力等數(shù)據(jù)采用動態(tài)波形顯示，同時時間跨度可設置，便于操作員回調(diào)數(shù)據(jù)，較WAUKESHA數(shù)碼管顯示更加直觀。在流量測量、手輪數(shù)據(jù)讀取方面實現(xiàn)自動化，大大減少油樣評定過程中出現(xiàn)的人為誤差。目前該儀器已量產(chǎn)，經(jīng)過多家單位的實驗驗證，測試結(jié)果完全符合GBT386-2010、ASTM-D613標準。同時，本項目為上海市2016年度“科學創(chuàng)新行動計劃”科學儀器領域項目，獲得上海市科學技術委員會專項資金資助，并已通過驗收。