全自动柴油十六烷值测定机研究

夏 良

(上海神开石油仪器有限公司，上海 201114)

0 引言

柴油的十六烷值是柴油在发动机中燃烧时的着火性质指标，采用与被测试样具有相同着火滞后期的标准燃料中正十六烷的体积百分数表示[1]。柴油在发动机中是被压燃的。十六烷值低的柴油不易被压燃，着火滞后期长；而十六烷值高的柴油易被压燃，着火滞后期短。十六烷值并不是越高越好。该值过高不仅会影响柴油的另一项重要质量指标(即凝固点)，还会破坏燃烧性能，使热功率下降、油耗增加。

传统的柴油十六烷值测定机在燃油切换、燃油流量测定、燃油喷射正时、压缩比调节等方面需人为操作、判断，对试验操作人员有着极其高的要求。因此，提高测定机的自动化程度有着极大的意义。

1 测定机设计原理

全自动柴油十六烷值测定机的基本设计原理如下。将试样、1#副标准燃料混合物、2#副标准燃料混合物、检验燃料等燃料分别放置在4个储油罐中。启动发动机后：相位传感器检测发动机转速、曲轴角度，温度传感器检测进气温度、喷嘴水套温度、内循环水套温度、润滑油温度；压力传感器检测润滑油压力、曲轴箱负压等。当所有规定操作条件符合要求后，通过控制电磁阀，接通试样燃料罐。试样依次进入电控单体泵、流量管、高压油管、喷枪等。当流量管检测到燃油，10 s后切断试样燃料罐；同时，自动接通放空电磁阀，5 s后关闭放空电磁阀。如此操作至少2次(次数可设置)，目的为清洗管路。自动接通试样燃料罐，当流量管检测器检测到燃油后，燃油在电控单体泵中开始建压。当高压油管中的压力高于10.3 MPa时，燃油通过喷枪喷嘴偶件雾化后进入预燃烧室内燃烧。在此过程中：由流量管的流量检测器检测燃料流量、喷油检测器检测喷油时间点、爆震传感器检测燃料压燃时间点；通过位置传感器检测燃油在流量为13 mL/m、喷油提前角为13°、着火滞后期为13°时的小活塞位置，也就是发动机的压缩比。随后，分别自动检测1#副标准燃料混合物、2#副标准燃料混合物的小活塞位置，过程同试样检测。最后，通过内插法自动计算出试样的十六烷值。检验燃料用于检查十六烷值测定机评价柴油十六烷值的准确性，测试过程同试样检测。

测定机设计原理如图1所示。

图1 测定机设计原理图Fig.1 Determination machine design schematic

2 电气系统设计

2.1 总体框图

应用触摸工业电脑实现人机交互，采用RS-232与微控制单元(microcontroller unit,MCU)进行通信，对测定机进行指令输入及信号显示、记录等。温度传感器分别实时检测发动机的进气温度、润滑油温度、内循环水套温度、喷嘴水套温度和燃油温度。其中:进气口设有加热系统，应用比例积分微分(proportional integral differential,PID)算法，对参数进行优化，控温精度达到±0.5 ℃；发动机底部设有加热系统，对润滑油进行开机前的预热，缩短热机时间。压力传感器分别实时检测管路中润滑油的压力及发动机曲轴箱中的负压，保障测试过程符合规定操作条件。对相位检测器、喷油检测器、电控单体泵及电子控制单元 (electronic control unit,ECU)[2]的检测控制是实现喷油提前角自动动态调整到上止点前(13±0.2)°的关键；对喷油检测器、爆震检测器、位置检测器及对压缩比电机等的检测控制是实现着火滞后期自动调整到(13±0.2)°和区分燃油十六烷值的关键[3]；对流量检测器、电控单体泵及ECU、电磁阀的检测控制是实现流量自动调整到(13±0.2)mL/min的关键；对电磁阀及放空电磁阀的逻辑控制实现根据试验过程自动切换燃油及自动管路清洗。

电气系统设计总体框图如图2所示。

图2 电气系统设计总体框图Fig.2 General block diagram of electrical system design

2.2 喷油提前角自动调整的研究

喷油提前角自动调整流程如图3所示。

图3 喷油提前角自动调整流程图Fig.3 Flowchart of Injection advance angle automatic adjustment

2.3 着火滞后期自动调整的研究

通过控制压缩比电机来改变小活塞在燃烧室内的位置，可改变压燃时间点。当B为(13±0.2)°时，自动记录小活塞位置。本文通过激光传感器检测小活塞位置，量程为20 mm，精度为35 μm，输出4～20 mA电流信号。该信号经过处理转换成电压信号进入MCU的A/D引脚。

着火滞后期自动调整流程如图4所示。

图4 着火滞后期自动调整流程图Fig.4 Flowchart of automatic fire lag time adjustment

2.4 燃油流量自动调整的研究

在试验过程中，精确控制燃油流量对准确测定柴油十六烷值有着非常重要的影响。本设计中，在关闭电磁阀的状态下，燃油流量是通过安装在流量管上的流量检测器测定的。流量检测器由光电二级管和光电三极管组成，分为上、下两组。光电二极管功率恒定。凹液面经过光电组时，光电三极管接收的光强发生变化，从而改变输出信号[4-8]。该信号经处理后由MCU的A/D引脚采集。凹液面经过上光电检测时开始计时，经过下光电检测时结束计时，根据所用时间计算出燃油流量。如果流量不为(13±0.2) mL/min，通过控制ECU来调整电控单体泵电磁阀的关闭时长。

燃油流量自动调整流程如图5所示。

图5 燃油流量自动调整流程图Fig.5 Flowchart of automatic fuel flow adjustment

3 软件设计

基于WIN7平台的测控系统采用上位工业电脑与下位单片机形式、采用Modbus通信协议编写。上位机在Microsoft Visual Studio 2010环境下，应用C++语言编写，实现人机“对话”。下位机在MPLAB环境下，采用C语言编写。

3.1 上位机软件设计

人机界面采用模块化设计，包括以下模块。测试过程控制模块主要控制测试过程步骤。设备工况监测模块主要以动态波形形式实时显示设备各工作参数。数据库读写模块采用Sqlite开源嵌入式轻型数据库[9-12]，存储试验结果及一些工况参数。参数配置读写模块用于读写设备配置数据，如温度、压力、小活塞位置的标定数据、进气温控PID参数、扭力限定值等，文件以ini文件存储。实验室信息管理系统(laboratory information management system,LIMS)及远程监控模块基于网口或无线局域网实现，用于试验数据的收集、分析、报告和管理[13]，以及设备工况的远程监测及诊断。中外文加载模块采用加载外部ini文件来实现中外文的切换。数据打印模块有热敏打印和外接打印机打印。限幅滤波平均算法模块是针对喷油提前角、着火滞后期的数据采集而进行的滤波算法，具体如下:取N个连续数据组成队列，遵照先进先出原则，保证队列固定长度为N；采用冒泡排序，在队列中的中间段数据进行平滑滤波。

3.2 下位机程序设计

下位机程序在主循环及各中断中运行，用于各种信号的采样、算法执行、数据处理及各种执行单元的控制。系统初始化是指对MCU的各个I/O引脚、定时器、A/D转换、直接存储器、通用异步收发器等进行初始设置。设备工况信息采样主要是通过PT100传感器对进气温度、润滑油温度、内循环冷却水套温度、喷嘴水套温度和燃油温度进行采集，将管路中润滑油压力、曲轴箱负压通过压力传感器输出的4～20 mA信号转换成电压信号进入MCU的A/D引脚。PID温控算法是对加热器输出功率进行控制来实现进气温度(66±0.5)℃、润滑油温度(57±8)℃的试验要求。数据传输是应用MCU的UART模块接收上位机的命令，解析后执行并反馈相应信息。信号瞬间捕获是获取各个信号中断的时间点，如喷油、爆震、相位、光强等信号，计算出各个信号之间的角度差或时间差，从而获得喷油提前角、着火滞后期、流量等试验条件参数。信号执行是对执行元件的控制，如：通过对电磁阀、放空电磁阀的控制，实现燃油自动切换和油路自动清洗；通过对压缩比电机的控制，实现小活塞位置的自动改变；通过对电控单体泵的控制，实现对喷油时间点及喷油流量的自动调整。

下位机程序设计框图如图6所示。

图6 下位机程序设计框图Fig.6 Block diagram of slave computer program design

4 测试数据分析

全自动柴油十六烷值测定机样机完成后，多次在高检、低检的评定上符合标准。在油样的评定方面，重复性也符合标准，并比手动操作的测定机平均高出0.1个指标。同时，进行了同类机型(WAUKESHA测定机、我司手动操作测定机和全自动测定机)的再现性数据对比，本文设计同样符合标准要求。3种机型对同一油样评定对比如表1所示。

表1 油样评定对比

5 结论

全自动柴油十六烷值测定机在手动柴油十六烷值测定机的基础上增加了在试验过程中燃油的自动切换、燃油管路的自动清洗、燃油流量的自动调整、喷油提前角的自动调整、压缩比小活塞位置的自动调整等功能，从而实现测定机试验过程的自动化。对于操作人员来说，该设计降低了对人员技能的要求、减少了工作量、降低了工作强度；从试验结果来看，该设计减少了人员操作的差异、提高了试验结果的可信度，且测试结果符合GB/T 386—2010、ASTM D613—2008标准。