实验用发动机缸内压力测量系统的设计与开发

徐 平,徐俊磊,金柏旭

(河南工程学院 土木工程学院, 河南 郑州 451191)

实验用发动机缸内压力测量系统的设计与开发

徐 平,徐俊磊,金柏旭

(河南工程学院 土木工程学院, 河南 郑州 451191)

针对目前实验室没有价格适中、能够用于测量发动机缸内压力测试的设备而不利于实验教学的问题，开发了一款能够用于实验教学的发动机缸内压力测量系统.该系统基于价格相对较低的国产缸压传感器和数据采集卡，通过缸压传感器安装方法及冷却方式的设计、发动机上止点位置的确定方法及基于VC++的上位机软件的开发等，实现了对发动机缸内压力的测量.经过实验验证，该系统可以实现缸内压力的采集，并且能够实现缸内压力的定量分析.该系统对学生理解理论知识有着积极的作用.

缸内压力；测量；设计；开发；实验

随着我国国民经济的快速发展，汽车保有量不断增加，作为汽车核心部件的发动机对于整车的燃油消耗和污染物的排放起着决定性作用，所以如何降低发动机油耗和减少污染物排放是发动机领域必须解决的问题[1].已有研究表明，通过气缸内压力的变化可以分析发动机工作过程中的压缩压力、最大压缩压力、内燃机的循环变动、摩擦损失和泵气损失等重要参数[2-5]，进而进行缸内燃烧过程分析，同时还可以作为状态监测和故障诊断参数用于故障诊断[6]，甚至可以利用缸压信号进行闭环控制[7-8].因此,准确地采集缸内压力是必不可少的环节.

与此同时，发动机原理课程作为车辆工程专业较为重要的专业课，对于示功图有着较详细的叙述，但是对于如何获取缸内压力曲线，由于受到设备的限制，无法让学生自己动手完成实验，使学生对于示功图部分的内容没有直观感，不利于学生对所学内容的理解和掌握.因此，开发价格便宜又能够满足缸压测试要求的缸内压力测量系统就显得尤为重要.为此，本研究利用价格相对较低的国产缸压传感器和数据采集卡，基于单缸汽油机，开发了一套用于实验室的缸压测量系统和配套的软件系统用于实验教学.

图1 缸压测量系统示意图Fig.1 Diagram of cylinder measurement system

1 实验系统结构

该实验系统主要由发动机、缸压传感器、电荷放大器、采集卡、角标器和上位机程序组成，如图1所示.图1中，发动机为单缸汽油机，该发动机由原有化油器发动机自主改造为电喷发动机[9]，燃油喷射和点火系统全部可控，具体参数见表1；缸压传感器采用压电式传感器，该类型传感器的优点是可以用于动态测量，并且能够承受较大的冲击力，为此选用江苏联能电子技术有限公司生产的CY-YD-200型缸压传感器，该款传感器为石英、水冷型，适合气缸压力测试，可静态标定；由于压电型传感器产生的电荷信号较微弱，不能够直接传递给采集卡，为此需要采用电荷放大器，将电荷信号转变为电压信号，从而进行测量.同时，为了得到更好的兼容性，采用江苏联能电子技术有限公司生产的电荷放大器，型号为YE5850；采集卡的作用是将传感器的信号传递给计算机，在本系统中采用了北京阿尔泰科技发展有限公司生产的USB 2002型采集卡，该采集卡可以同时实现模拟量和数字量的采集；角标器采用欧姆龙编码器，型号为E6B2-CWZ6C，最高输出频率为1 000脉冲/r；上位机软件基于VC++自主开发完成.

表1 K157 FMI型发动机参数Tab.1 Parameters of the K157 FMI

2 缸压传感器的安装及冷却

为了能够准确测量燃烧室内的压力，缸压传感器安装时应该接近燃烧室.同时,为了减少通道效应，缸压传感器的底面应该与燃烧室平齐安装[10].但所采用的发动机为单缸风冷汽油机，燃烧室顶部空间有限，故采用后缩式安装方式，即在燃烧室的侧面加工一个取压通道，如图2所示.为尽量减少通道效应，该取压通道孔径为2 mm，深度为5 mm.

同时，缸压传感器内部为压电晶体，能够耐受的温度有限，所采用的缸压传感器的工作温度为-40～300 ℃.对于风冷发动机来说，机体温度普遍较高，为了能使缸压传感器正常工作，不至于高温损坏，采用外部冷却的方式，由于该传感器带有冷却系统接头，故只在外部增加水冷系统用于冷却即可,如图3所示.

图2 缸压传感器安装位置Fig.2 Diagram of sensor installation location

图3 缸压传感器水冷示意图Fig.3 Diagram of cooling system of sensor

3 上止点的确定方法

在示功图分析时，精确标定上止点是一个必不可少的环节[11-12].一般根据热力学方法确定上止点，最简单的方法是测取反拖工况下的压缩压力，再加上热力损失角进行修正，但是该方法需要知道热力损失角，而不同转速下的热力损失角是不同的.

对于所采用的单缸汽油机来说，它自身的磁电机每转一周会产生一个触发信号，并且该信号与上止点之间的相位是固定的.同时，在前期开发的控制系统中也包含进气压力信号.这两个信号都包含丰富的相位信息，可以提供相位基准.图4为同时测量的进气压力信号及磁电机触发信号波形图.从图4可以看出，进气过程中压力的波动正好位于两个触发信号之间，即进气过程结束后，第一个到来的触发信号为压缩冲程的触发信号，据此可将两次触发信号区分开.

由于ECU微处理器的接口只能接收TTL电平信号，故将触发信号通过整形电路处理成方波信号，触发信号的处理电路如图5所示.利用高速光电耦合器6N137作为数字开关，将触发信号调理为只有高电平或低电平的数字形式信号，从而可以输入控制单片机.调理后的信号见图6，可以利用该信号提供相位基准，用于确定上止点位置.

图4 触发信号与进气压力信号Fig.4 Intake air and trigger signals

图5 触发信号处理电路Fig.5 Treatment circuit of trigger signal

图6 整形后触发信号Fig.6 Trigger signal after shapping

4 数据采集系统的结构及工作原理

数据采集系统硬件结构如图7所示，它由模/数转换、角标信号调理、上止点信号及数据存储区4个部分组成.数据采集过程由采集系统独立完成，采集结果暂存于数据存储区.其中，角标信号调理部分根据软件的设定，对角标信号发生器产生的角标脉冲信号进行分频，并将分频后的信号送至采样触发脉冲发生器，发出采样脉冲信号；模/数转换部分将模拟信号经模拟开关送入相应的A/D转换器，采样触发脉冲发生器发出采样脉冲，控制A/D同时进行数据转换，由转换结束信号控制，将转换结果送入数据存储区；数据存储部分将数据存储到静态RAM.有些光电式角标信号发生器能够输出90°相位差的两列方波信号，当有两路角标信号同时送入采集卡时，调理电路将这两路信号进行异或处理，使得n线的角标信号发生器每转产生4n个脉冲信号.如图8所示.如此，利用900线的角标器即可产生0.1°CA的角标信号.

图7 数据采集系统硬件结构Fig.7 Diagram of data collecting system

图8 角标信号调理示意图Fig.8 Diagram of crack angle signal after conditioning

5 控制软件

在采集系统的硬件系统设计完成后，为了能将数据进行存储并进行演示分析，需要开发对应的软件.由于阿尔泰公司的采集卡提供了基于VC++的动态链接库，故基于VC++开发了对应的软件[13]，用于实现数据的采集和存储.

数据采集系统软件共有3个功能:一是数据采集，二是信号分析，三是帮助信息.其中,数据采集部分是本软件的主要部分，负责缸压信号的采集，监测按钮能够对缸压信号进行实时显示，给出文件名,利用存储按钮可以将数据存储；信号分析部分可以对缸压信号进行离线分析；帮助部分对该系统缸压传感器的设置、冷却水等进行必要的说明.

5.1干扰数据的剔除

采集卡采集到的气缸压力数据一般都带有干扰信号，如图9所示.为了能将干扰信号去除，采用光顺方法进行干扰信号的剔除，具体算法如下：

图9 带干扰的缸压信号Fig.9 Cylinder pressure signal with noise

式中：psi为光顺过的压力；p为原始压力；i为光顺点序号.

5.2基准压力的确定

压电传感器输出信号是一个与压力变化相关的电荷变化量，经电荷放大器放大输出一个与压力变化成比例的电压信号.要得到压力信号的绝对值，首先必须确定基准压力,确定基准压力最常用的方法如下：①采用内部基准，设定某一曲柄转角时的压力值，但汽油机因为有节气门的影响，不宜采用这种方法；②采用外部基准，利用进气歧管绝对压力传感器提供基准压力；③采用热力学基准，调整压缩过程多变指数到某一已知的数值.为此,在本次设计中采用了外部基准，但是在确定基准压力时，经常遇到的一个问题是压电传感器输出信号的基值波动.

图10所示为起动过程中测得的压电传感器输出的缸压信号，其相继循环的压力线基准存在明显波动(假设以第一次循环结束后的压力为基准，下同).即使在一个工作循环内，压力基准也不是同一个值，这样就很难对压力曲线的基准压力进行准确标定.

图11所示为稳定工况下压电传感器输出的缸压信号,其相继循环的压力线基准值基本不变，故只要确定其基准值与实际压力值的关系就可得到压力曲线的绝对数值.

图10 启动过程实测缸压信号Fig.10 Test cylinder pressure signal at start process

图11 稳态过程实测缸压信号Fig.11 Test cylinder pressure signal at state condition

6 实验应用

对车辆工程等相关专业的学生来说，内燃机原理是必修课，而示功图的测量能够用于计算平均指示压力、指示功率及判断燃烧情况.为此，在完成相关的设计工作之后，对所设计的缸压采集系统进行了针对发动机的示功图测量实验.

图12 实测示功图Fig.12 Tested indicator diagram

图12为利用该系统采集到的发动机在转速为1 500 r/min时的示功图.由图12可知,在该转速下发动机最大缸内压力是1.05 MPa，最高压力点出现在374°CA.由此可知，该实验系统可以完成缸内压力的采集，并且能够实现缸内压力的定量分析.

7 结语

本课题介绍了一种用于实验室测量发动机缸内压力的测量系统，分别从缸压传感器的安装、上止点的确定方法、数据采集及控制软件的开发等方面进行了分析，并且通过实验验证了该系统可以实现发动机缸内压力的测量，并且可以利用软件对缸压曲线进行定量分析.

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[13]孙鑫.VC++深入详解(修订版)[M].北京:电子工业出版社,2012.

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

河南省教育技术装备和实践教育研究资助项目(201518)

徐平(1980-)，女，山东济南人，助教，主要研究方向为测量技术及电子控制技术.