二冲程微型摆式内燃机数据采集模块的研制

李 飞，陈喜春

（石家庄机械化步兵学院 河北 石家庄 050083）

新型高能量密度、便携式能源发生装置的研制已成为21世纪较为关键的技术之一，美国是较早致力于微型内燃机研究的国家，微型内燃机的研究受到美国国防部的高度重视。国内则由清华大学精密仪器系设计出了一种新颖的二冲程微型摆式内燃机 MFPSE（Micro Free Piston Swing Engine）[1-3]，它以二冲程方式工作，为评价样机点火系统，验证各工作腔的密封性能，分析点火电压、点火时刻等因素对点火系统的影响，需对实验数据进行采集，本文以该内燃机项目为背景，设计其数据采集模块。

1 方案设计

二冲程MFPSE数据采集模块结构框图如图1所示。这一部分设计包括电路设计、软件编程等环节，为保证精度、缩短研发周期、简化工作量，硬件电路采用市售数据采集卡+PC机的形式，控制软件则采用LabView编程实现。

数据采集模块结构框图如图1所示。

图1 数据采集模块结构框图Fig.1 Block diagram of data acquisition model

1.1 电路设计

这一部分内容包括数据采集卡、压力变送器、温度变送器的选型。

1.1.1 数据采集卡

数据采集卡选用研华公司的PCL-818L，该卡为40 kHz、16通道高性能多功能DAS卡，具有12位A/D转换、12位D/A转换、数字量输入输出、可编程定时/计数器和直接存储器存取等功能。具体包括：16路单端或8路差分模拟量输入；40 kHz12位A/D转换器；可对每个输入通道的增益进行编程；带DMA的自动通道/增益扫描；16路数字输入和输出；一个12位模拟量输出通道；可编程定时/计数器[4]。为便于数据采集卡与外部信号连接及调试需要，PCL-818L应有相应的信号输出端子板，PCLD-8115则是与之配套的板卡，通过2条20针扁平电缆或一条37针扁平电缆与PCL-818L相连，并可由跳线设置单端、差分等输入输出方式。

1.1.2 压力变送器

压力变送器的作用是将内燃机工作腔的压力值转换为计算机所能识别的电信号，研究点火系统应使内燃机运行在不同的工况下，而压力变送器应能体现不同工况下内燃机工作腔的压力状态，以便对点火系统的工作性能进行分析研究，因此压力变送器的精度要求足够高；同时，压力变送器的量程需选择适当，一般应将使用量程设在满量程的1/4～3/4之间，以确保足够的测量线性度；另外，内燃机运行时工作腔将产生高温，因此要求压力变送器具有一定的抗高温能力，综合以上因素，实验中选用MCY-W绝压式压力变送器[5]。

MCY-W压力变送器由传感器和变送器两部分组成，传感器内部为四个粘贴在应变梁上的应变电阻连接而成的电阻桥，当弹性应变梁受外力作用时，粘贴在梁上的应变电阻阻值发生变化，电桥失去平衡，从输出端获得一个与外力成正比的电压信号。将传感器配一小信号精密放大线路构成变送器，变送器电路具有内部稳压、阻抗适配、线性补偿、温度补偿等功能，从而将力学量转换成标准电流电压信号输出。

MCY-W绝压式压力变送器量程为2 MPa，精度等级为，输出信号为三线制电压输出，量程1～5 V，可直接与自动控制设备相连，变送器工作电压为12VDC，适用的环境温度为－20～80°C，具备标准信号外调零、外调增益等功能。安装压力变送器需要在内燃机缸体对应腔体上加工一个螺纹孔，并用生料带缠绕结实以保证密封良好。

1.1.3 温度变送器

温度变送器的作用是将内燃机动力腔的温度值转换为计算机所能识别的电信号，常用的温度传感器有热电偶、热电阻和集成温度传感器。热电阻和集成温度传感器虽然灵敏度较高，但工作温度范围较窄，而热电偶有很大的温度敏感范围，一般在－180～2 800°C均可使用，并且准确度和灵敏度都较高。

考虑到内燃机动力腔的温度可达上千摄氏度，因此实验中采用热电偶温度变送器，型号为KLW－KS－2A2，工作电压24 V，量程 100～1300 °C，输出电流范围为 4～20 mA，精度±0.5%。该变送器测量端受热面积小，可测定空间任意点的温度，响应时间短，小于1 ms。

由于数据采集卡要求的输入信号为电压信号，故需要将温度变送器的电流信号转换为电压信号，实验中串接一个250 Ω的精密电阻，将输出信号转换为1～5 V的电压信号，便于数据的采集。

1.1.4 光电编码器

光电编码器与二冲程MFPSE中心摆同轴安装，用来生成中心摆的位置和摆动频率信号，本样机选用的光电编码器型号为HEDS-5645型增量式光电编码器，经交流伺服驱动器四倍频后输出为每圈8 000个脉冲。

实验时数据采集卡对光电编码器反馈脉冲计数，以判断中心摆实际运行位置，同时利用板载定时器对反馈脉冲计数可得到中心摆的实际摆频。

为提高信号抗干扰能力，光电编码器输出脉冲除经差分处理外，还应进行整形、滤波等措施，以提高输出信号的计数精度。

1.2 软件设计

PCL-818L支持LabView编程，LabView界面友好，提供了一个交互式、图形化的编程环境，使得程序的编写直观、方便和高效。

图2为采用LabView编写的数据采集程序。

图2 LabView编写的数据采集程序Fig.2 Programme of data acquisition model written by LabView

压力变送器输出为四路单端信号，设置PCL-818L信号采集模式为16路单端输入模式。程序运行后，需要设置数据采集通道总数和起始通道数，实际采用的通道为AI7、AI8、AI9和AI10 4个通道。程序还对实验结果进行了保存，便于总结分析。

数据采集程序流程如图3所示。

图3 数据采集流程图Fig.3 Flow chart of data acquisition model

2 实验与数据分析

由于二冲程MFPSE的结构特点，左右压力腔完全对称，工作时两腔交替处于吸气、压缩、做功、排气等行程，因而内燃机启动时中心摆的位置应该在两个腔体的中部，因此，进行实验前，需进行中心摆起始位置的标定。标定完成后，即可开始实验，图4是数据采集实验平台。

2.1 动力腔压力分析

二冲程MFPSE中心摆向止点运行过程中，动力腔的气体受压缩而气压升高，根据内燃机原理，动力腔压力大于4～5个标准大气压时，混合气才有被点燃的可能，如果压力低于4～5个大气压，则点火不会成功。因此在评价内燃机工作性能时，动力腔压力不仅是重要的热力学参数，同时也是缸体密封性能的衡量指标[6]。

图4 数据采集实验平台Fig.4 Exrerimental platform for the data acquisition model

图5是LabView下实测的二冲程MFPSE各工作腔数据，图中数据是在内燃机摆动频率5 Hz、摆动幅度80°、点火提前角1°下测得的。

图5 点火提前角为1°时二冲程MFPSE各工作腔测量曲线Fig.5 Measuring curve of each working chamber of two stroke MFPSE at 1 degree ignition angle of advance

图像1和3表示的是左侧动力腔和扫气腔的压力，图像2和4表示的是右侧动力腔和扫气腔的压力。以图像1即内燃机左侧动力腔为例可以看出，纵坐标的数值在0.5～2.6 V范围内变化。由压力变送器的资料可知，实验测得的动力腔电压与气压有以下对应关系

式（1）中，P代表动力腔压力，单位 MPa，V代表测量电压，单位V。由上式可以得到P=0.1 MPa即动力腔气压为标准大气压时对应的电压为1.2 V。

显然，电压高于1.2 V则气压高于标准大气压，表示内燃机处于压缩过程；电压低于1.2 V则气压低于标准大气压，表示内燃机处于吸气过程；电压在1.2 V附近波动则气压等于标准大气压，表示内燃机处于排气过程。

由图可见，图像1最大电压值为2.6 V，表示左动力腔最大气压为0.8 MPa，此数据发生在中心摆到达上止点即压缩终了处，此时混合气被压缩的最充分，压缩比最大，对点火最有利。右侧动力腔的数据与左侧类似，图像2最大电压值为3 V，表示右动力腔最大气压为1 MPa。

内燃机压力腔的气压值越高，表明混合气被压缩的程度越大，由实测数据可以看出，动力腔的气压最高为1 MPa，这表明混合气被压缩的较为充分，然而从图像1和2也可以看出，最大气压出现的间隔约为20 ms，并且在一个四分之一摆动周期内（摆动频率5 Hz时四分之一周期为50 ms）只出现两次，这表明动力腔密封效果不太理想，尽管压力满足点火的前提条件，但混合气泄漏较为严重。

2.2 扫气腔压力分析

图5中图象3和4分别表示左右扫气腔的实测曲线。扫气腔的密封效果影响到混合气的质量，扫气不好会影响排气效果和进气过程，导致混合气难以燃烧或燃烧不稳定。扫气腔的密封效果主要依据扫气腔的压力数据来评价。

二冲程MFPSE中心摆往复运行时，扫气腔压力曲线的最低值越低表明扫气腔中真空度越高、扫气效果越好，当扫气腔与中心摆顶端或中心摆侧面、内燃机缸体之间、压力变送器与缸体之间漏气时，扫气腔实测曲线会出现最低值偏高的现象，这说明扫气腔密封效果不够好。

由图中实测曲线可以看出，扫气腔最低气压已经接近压力变送器的极限，因而扫气效果尚令人满意，扫气腔的密封也比较理想。

3 结束语

结合二冲程MFPSE项目，文中设计开发了一套数据采集模块，可对工作腔压力、温度等数据进行测量，同时还可测得中心摆摆动频率、到达位置等数据。通过实验表明，文中设计的数据采集模块运行可靠，能够达到设计要求，为二冲程MFPSE的进一步研究奠定了基础。

[1]张仕民.新型二冲程微型摆式内燃机[D].北京：清华大学，2004.

[2]汪劲松，张仕民，叶佩青，等.一种可变压缩比的微型摆式内燃机：中国，02117081.9[P].2002.4.29.

[3]郭志平，叶佩青，张仕民.微型摆式发动机的总体设计[J].小型内燃机与摩托车，2002，31（4）：1－4.GUO Zhi-ping，YE Pei-qing， ZHANG Shi-mim.Overall design of micro swing engime[J].Small Internal Combustion Engine and motocycle，2002，31（4）：1－4.

[4]研华股份公司，PCL-818L多功能数据采集卡使用手册[EB/OL].（2005－12－21）http://www.advantech.com.tw/products/search.aspx keyword=PCL－818.

[5]张义和，袁彩霞.例说51单片机[M].C语言版.北京：人民邮电出版社，2008.

[6]张仕民，汪劲松，叶佩青.新型二冲程微型摆式内燃机气口参数设计的数学模型[J].内燃机学报，2004（2）：188.ZHANG Shi-min，WANG Jin-song， YE Pei-qing.Mathematical model of porting parameters design for a novel two Stroke Micro Free Piston Swing Engine[J].Transactions of CSICE，2004（2）：188.