（动力机械及工程专业论文）hcci燃烧过程缸内压力实时采集分析及燃烧特性研究.pdf

中文摘要 均质压燃( h c c i ) 燃烧是由复杂的化学反应动力学控制，因此它对影响燃 烧边界条件参数的变化很敏感，表现为强时变性。均质压燃( h c c i ) 的研究工作不 仅要分析稳态工况，还要分析瞬态过渡过程。为此，建立一套实时性好、功能完 善的均质压燃( i q c c i ) 多参数测控及燃烧分析系统，用以采集各种所需数据，分析 反映均质压燃( h c c i ) 燃烧的特征参数，为均质压燃( h c c i ) 燃烧的控制提供实时的 反馈信息，显得十分重要了。 本文介绍了作者自行丌发的一套均质压燃( h c c i ) 燃烧过程缸内压力实时采 集及瞬时燃烧分析系统。它是基于a c 6 1l1 高速数据采集卡丌发的一套对发动机 示功图进行实时采集，实时分析，实时存储的系统。采用c + + b u i l d e r6 0 和s q l s e v e r 7 0 进行编程。利用该系统，详细研究了均质压燃f h c c i ) 着火定时、燃烧峰 值压力、以及i m e p 循环波动系数等参数，为基于循环的均质压燃( h c c i ) 控制提 供了有价值的信息。试验表明，该系统可以实现均质压燃( h c c i ) 燃烧特性参数的 快速实时分析，提高测试精度和实验效率。 应用所开发的系统对燃料化学特性对均质压燃( h c c i ) 燃烧特性的影响进行 了初步的试验研究，详细研究了着火时刻、燃烧持续期、c o v i m e p 等参数。试 验研究结果表明，尽管燃料的的辛烷值相同，与基础燃料相比，汽油燃料成分对 均质压燃( h c c i ) 燃烧特性参数有显著影响，汽油燃料着火时刻提前，燃烧持续期 短，但基础燃料的初始放热率比汽油燃料高，辛烷值不能作为评价其均质压燃 ( h c c ) 着火性能的唯一参数。进气温度对均质压燃( h c c i ) 燃烧特性的影响与混合 气浓度和燃料的特性有关，混合气浓度增大，进气温度对燃烧特性参数的影响减 弱；进气温度升高，混合气浓度对燃烧特性参数的影响降低。 关键词：均质压燃( h c c i ) 、多参数同步采集、燃烧特性、燃料化学特性 a b s t r a c t h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) c o m b u s t i o nc o n t r o l l e db y c o m p l e xc h e m i c a lk i n e t i c si si n f l u e n c e db ym a n ys e n s i t i v ef a c t o r s s on o to n l ys t e a d y c o n d i t i o n sb u ta l s ot r a n s i e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n sa r e i m p o r t a n t t ol e a r nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh c c i ar e a l - t i m em u l t i f u n c t i o ns y s t e mt od om e a s u r e m e n t ， c o n t r o la n da n a l y s i si nc o m b u s t i o np r o c e s s e si sc r u c i a li nh c c i e n g i n ee x p e r i m e n t w i t ha c 6 111 h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，at r a n s i e n tc o m b u s t i o na n a l y s i s s y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o da n dan u m b e ro fp r o g r a m t o o l ss u c ha sc + + b u i l d e r6 0a n ds q ls e v e r7 0w e r ea p p l i e dt od e v e l o pas o f t w a r e s y s t e m i t c o u l d s a m p l em u l t i p a r a m e t e r a tt h es a m et i m e ，r e a l i z er e a l t i m e c o m b u s t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s ，i n c l u d i n gi g n i t i o nt i m i n g ，m a x i m u mp r e s s u r e ， c o v ( c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o n ) o fi m e p t h i ss y s t e mp r o v i d e sv a l u a b l ei n f o r m a t i o n t of u r t h e rh c c ic o m b u s t i o nc o n t r o l ，e f f e c t i v e l yi m p r o v e se x p e r i m e n tp r e c i s i o na n d r e d u c e st h ee x p e n s e t h ee x p e r i m e n tw i t hg a s o l i n eo i la n dp r kp r e f e r e n c er e s e a r c hf u e l ，w a s c a r r i e do u tt od or e s e a r c hi ni g n i t i o nt i m i n g ，c o m b u s t i o nd u r a t i o n ，c o vo fi m e pa n d s oo nw i t ht h ea i do ft h en e wr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t hp r fa ts a m er o n ，t h ec o m p o n e n to fg a s o l i n eo i l h a s s t r o n gi n f l u e n c e o nc o m b u s t i o n ，w h i c hr e s u l t si na d v a n c e di g n i t i o n t i m i n g ， s h o r t e dc o m b u s t i o nd u r a t i o n ，b u tl o w e rt h e r m a le f f i c i e n c ya tt h eb e g i n n i n g t h e r e w o u l db eo t h e rp a r a m e t e r st oe v a l u a t et h ei g n i t i o nc a p a b i l i t y , n o to n l yr o n a sf o r t h ei n f l u e n c eo fi n l e tm i x t u r et e m p e r a t u r e ，i tc o n n e c t e dw i t hd e n s i t yo fm i x t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ff u e l w i t ht h ei n c r e a s eo fd e n s i t y , t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo n c o m b u s t i o np a r a m e t e r sb e c o m ew e a k e r ；w i t ht h ed e c r e a s eo ft e m p e r a t u r et h ed e n s i t y h a ss m a l l e re f f e c to nc o m b u s t i o np a r a m e t e r s k e yw o r d s ：h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) s y n c h r o n o u sm u l t i - p a r a m e t e rd a t aa c q u i s i t i o n ； f u e lc h e m i c a lp r o p e r t y ； c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：罩沁签字臼期：y 护年1 月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：卅丫矽 签字f = | 期： 沙p 6 年月f 歹同 导师签名傍玲岖 签字只期：以年，月，j 同 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着世界经济的增长和石油等燃料的大量丌发和利用，能源危机和大气污染 问题r 益严重。受能源日益枯竭和环境污染的困扰，燃油经济性和排放的研究一 直是内燃机界着力解决的重要问题之一。近年来随着内燃机燃烧理论研究和内燃 机燃烧控制技术的发展，国际内燃机燃烧技术研究十分活跃，其中均质充量压缩 着火( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，h c c i ) 燃烧，作为有别于传 统的汽油机均质点燃预混燃烧和柴油机非均质压燃扩散燃烧的新型燃烧方式，成 为国内外内燃机燃烧研究的热点。 h c c i 结合了压燃式发动机和点燃式发动机特性的优点，既保持低微粒和 n o x 的排放又保持较高的动力性和燃油经济性。这是由于，一方面，采用均质混 合气燃烧，避免了扩散燃烧方式碳烟生成；另一方面，取消了节流损失，设计的 压缩比高，缸内多点同时着火的燃烧方式使得燃烧反映速率较高，接近理想的等 容燃烧，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下热效率高的特点。另外，通过设 计较稀的混合气空燃比或利用再循环的废气控制把燃烧温度降低在1 8 0 0 k 以下， 并且由于它以均质稀燃混合气方式工作，有效地抑制了n o x 的生成，实现了高效 低污染清洁燃烧。由于h c c i 燃烧只与本身的物理化学性质有关，它的着火和燃 烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制。 1 2h c c i 发展历程与研究 1 2 1h c c i 的发展历程i l 】 1 9 7 9 年，o n i s h i 等人在二冲程发动机上进行h c c i 的研究，发现低负荷工况下， 在1 0 0 0 r m i n 至r j 4 0 0 0 r r a i n 的转速范围内h c c i 都比传统的工作方式有更好的工 作稳定性，燃油经济性和排放也都有显著的改进【2 】。l i d a 在1 9 9 4 年的实验表明， 在二冲程发动机上用甲醇作燃料，h c c i 方式的工作范围可以明显扩展 3 1 。h o n d a 公司于1 9 9 7 年已展示了采用h c c i 的二冲程发动机【4 j ，i p f 公司也开发了应用h c c i 概念的二冲程发动机胪j ，在这两款发动机中，h c c i 被用来改进部分负荷的稳定 第一章绪论 性和燃油经济性，减少h c 排放。1 9 8 3 年，n a j t 和f o s t e r 在w a u k e s h ac o o p e r a t i v e f u e l sr e s e a r c h 机上用简单动力学模型计算出了适当压缩比、高e g r 与放热率的关 系。并指出在四冲程发动机上也可采用h c c i 方式【6 1 。1 9 8 9 年t h i n g 用一台楔形燃 烧室、压缩比8 ：1 、预混、汽油混合温度6 4 0 k 、e g r 为1 3 到3 3 的l a b e e o c o o p e r a t i v e l u b 6 c a n t r e s e a r c h ( c f r ) 发动机测出了允许的运行参数，并提出h c c i 这一描述此种燃烧过程的名词。t h r i n g 首次采用了两种燃烧模式，即在大负荷使 用火花点火方式，在部分负荷采用h c c i 方式1 7 】；1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人首次在 实用的1 6 l v w 发动机上研究h c c i ，使发动机的工作负荷范围从1 4 拓宽到3 4 心j ；1 9 9 6 年g y a n 和c h a l l a h a n 用可变压缩比发动机研究了以十六烷值为4 7 的柴油 为燃料的h c c i 的运行范围，并发现可以用压缩比、e g r 水平和当量比控制燃烧 同时发现燃用柴油时不能采用太高压缩比；1 9 9 7 年n a k a g o m ee ta l 在直喷柴油机 上用早喷的方式实现了h c c i ，其n 0 x 排放仅为2 0 1 0 4 。c h r i s t e r s e n ，j o h a n s s o n 等人采用异辛烷( 辛烷值1 0 0 ) 、酒精( 辛烷值1 0 7 ) 和天然气( 辛烷值1 2 0 ) 等3 种燃料进 行h c c i 试验，结果表明高的辛烷值对于h c c i 方式是有益的【9 1 c h r i s t e r s e n 的研究结 果表明，采用增压可以使h c c i i 况范围向大负荷工况扩展【lo 】1 9 9 9 年，c h r i s t e r s e n 等人的试验又证明了几乎所有的液体燃料都能用于可变压缩比的h c c i 方式中 【ijj 。 1 2 2h c c i 面临的主要问题 目前s h c c i 燃烧只能限制在部分负荷下工作。h c c i 发动机的研究还有待于进 一步深化。h c c i 发动机面i | 缶的主要问题和难点是对h c c i 燃烧速率和着火时刻的 控制。1 1 2 j 由于车用发动机的工况多变，要想在各工况点都获得较好的燃烧和排放 特性，则必须对h c c i 燃烧进行精确控制。如果h c c i 燃烧控制的较好，则发动机 可在较大的空燃比范围内进行高效稳定的燃烧，循环波动压力小。工作柔和；如 果h c c i 燃烧组织的不好，则容易出现爆震或失火，发动机的性能变差。h c c i 燃 烧的着火时刻主要受到混合气本身化学反应动力学的影响。只能采用j 、日j 接的办法 来控制其着火时刻及燃烧反应速度，如进气温度、e g r 、空燃比等。 2 第一章绪论 1 3h c c i 燃烧控制1 1 3 】 h c c i 燃烧过程主要是由化学动力学所控制，燃烧几乎同步进行，不能采用 传统的方法。同时还要注意两方面的要求，一方面是控制着火时刻发生在上止点 附近：另一方面是控制好燃烧放热速率，避免粗暴燃烧引起敲缸。h c c i 燃烧过 程的影响因素是：燃料的自燃特性：燃料的浓度；残余废气率和残余废气的可反 应性；混合物的均匀性；压缩比；进气温度及燃料的汽化潜热和缸内温度；气缸 周围壁面的传热；以及其它与发动机有关的参数等 h j 。这些影响因素往往不是孤 立的，而是互相关联的。根据近年来世界各国研究人员的试验研究结果，可得出 一些间接控制h c c i 燃烧的方法，大体上可分为三类，第一类是改变混合气制备； 第二类是改变混合气特性；第三类改变发动机的工作和设计参数等。 1 、改变混合气制备 ( 1 ) 改变燃料特性 燃料的成分、分子大小和结构影响燃料的自燃反应特性。h c c i 燃烧是均匀 混合气压缩自燃，要形成均匀的混合气，要求燃料有较低的沸点。为实现压缩着 火，要求燃料有好的着火性，即高的十六烷值。结合这两方面的要求，预先制备 出适合h c c i 燃烧的专用燃料，有助于控制燃烧过程。 另外，一些燃料添加剂具有延缓或提高放热的能力，对h c c i 燃烧第一阶段 的着火放热产生影响，从而进一步影响主燃烧期的着火阶段。二甲醚( d m e ) 有低 的辛烷值，当它与传统的燃料混合时，将增大第一阶段着火的放热率，从而稳定 h c c i 燃烧 15 1 。水是一种不活泼的化学物质，能使h c c i 燃烧的着火时刻推迟和减 缓放热率，同时使未燃h c 和c 0 排放增加【i6 】。m t b e ( i 尹基特丁基醚) 是一种含氧 化物，它的低沸点促使均匀混合气的形成，其高的辛烷值抑制了预混合气过早地 燃烧。 ( 2 ) 混合气制备方式 进气道喷射方式，即用燃料在进气道内实现预混合而耿代了缸内直接混合， 这样做既可以避免着火延迟期和喷油持续期之间的矛盾，又在改善排放同时避免 了功率输出的降低。 缸内直喷技术是直接将燃油喷射到气缸中，通过改变喷入气缸的油量束控制 发动机负荷。这种质调节方式使得发动机在中小负荷工况时不需使用节气门来限 制油量，大大减少了发动机在换气过程中的泵气损失。 第一章绪论 2 、改变混合气特性 ( 1 ) 空燃比 空气燃料混合物的比例直接影响h c c i 燃烧的着火时刻和燃烧放热率。改 变运行工况必须改变空燃比。在稀的混合比( 高的空燃比) 和高的e g r 率条件下可 以较好地控制h c c i 燃烧速率，实现稳定的h c c i 燃烧。但是过高的空燃比( 混合气 过稀) 会引起失火，而过低的空燃比( 混合气过浓) 会引起敲缸。因此，空燃比的变 化范围是有限的。 ( 2 ) 废气再循g ( e o r ) 通过e o r 对h c c i 燃烧过程进行控制有两种方法：内部e g r 法和外部e g r 法。 内部e g r 对h c c i 燃烧有两方面作用，即热作用和化学作用。热作用与e g r 的高 温相联系。它提高了全部进气充量的温度，帮助充量克服它的活化能，从而提早 着火时刻。化学作用来i 刍e g r 包含的化学活性种类。进气充量的温度维持不变时， e g r 所包含越多的化学活性种类，着火出现越早。当e g r 的数量和质量固定时， 越高的进气温度引起更早的燃烧着火。因此，在燃烧过程中，当空气燃料混合 气与吸人的热残余e g r 混合时将提高发动机充量的温度。通过调节残余e g r 的 量，可以控钳j h c c i 燃烧的着火延迟和放热率。外部e g r 因经过冷却比内部e o r 有更低的温度，而且它降低了化学反应速率，从而延迟着火时刻，降低放热率及 气缸峰值压力。 ( 3 ) 进气温度 较高的进气温度可引起较高的放热率，且会提l ； f 第一阶段( 冷焰) 的着火，从 而缩短主燃烧期着火延迟。1 1 7 】较高的进气温度可促进h c c i 燃烧，但是其可调节 的范围是有限的，在这个有限的范围之外，发动机的容积效率和热效率会大大降 低。 3 、改变发动机工作和设计参数 ( 1 ) 压缩比 较高的压缩比能提高压缩终点缸内工质温度，从而加快h c c i 燃烧的着火时 刻。另外，较高的压缩比和相应高的膨胀比有助于提高热效率。然而，当使用高 的压缩比时，特别是燃用高十六烷值燃料时，很容易出现敲缸现象。采用可变压 缩比可以对不同特性燃料或不同工况的燃烧时刻及燃烧反应速度进行控制发动 机转速改变将改变以时自j 计的燃料与空气反应时间。 ( 2 ) 发动机转速 h c c i 燃烧的着火时刻与发动机曲轴转角有关，当发动机转速上升时，着火 时刻延迟。在着火发生在上止点之前的情况下，由于压缩温度升高将补偿高转速 时导致的着火延迟。如果着火出现在上止点之后，由高转速引起的相对着火延迟 第一章绪论 因膨胀将更加推迟，甚至导致失火。 ( 3 ) 可变气门定时 可变气门定时是h c c i 燃烧过程控制的重要手段，通过控制气门定时，实现 内部e g r ，并可根据发动机工况变化调整内部e g r 比例实现对h c c i 燃烧过程的 控制。 ( 4 ) 增压 增压可以用来提高发动机的平均指示压力( i m e p ) ，扩大h c c i 运行工况范围。 在不同的压缩比和增压压力条件下，用不同的燃料试验，结果表明【伸l ：在进气温 度需要附加地调节条件下，增压提高了平均指示压力( i m e p ) ，并扩大运转的空燃 比范围。然而，增压伴有高的气缸压力( 在0 2 m p a 的增压压力下大约) t , j 2 5 m p a ) ， 这样将会潜在限制增压的应用。 1 4 本文选题及意义 由于h c c i 燃烧是复杂的化学反应动力学及热力学过程，对影响燃烧边界条 件的众多参数( 如：空燃比、迸气温度、进气压力等) 的变化均很敏感，表现为 强时变性。因此h c c i 燃烧的实验研究必须具备多参数同步采集、燃烧过程实时 监控和分析的条件。h c c t 的研究工作不仅要分析稳态工况，还要分析瞬态过渡 过程，加之内燃机的燃烧过程是问歇式的，而且燃烧在很短的时i 日j 内进行，为其 测量增加了难度。为此，建立一套实时性好、功能完善的h c c i 瞬念多参数测控 及燃烧分析系统，用以采集各种所需数据，分析反映h c c i 燃烧的特征参数，为 h c c i 燃烧的控制提供实时的反馈信息，以满足h c c i 实验研究的需要，就显得 十分重要了。 本文的主要研究内容如下： 1 、利用c + + b u i l d e r6 0 、s q ls e v e r7 0 等丌发工具，结合面向对象的设计 方法，编写h c c i 瞬念燃烧分析系统的软件。该软件能够实现数据采集、通讯、 保存、分析等复杂的多任务，实现气缸压力及众多参数的稳念和瞬念实时采集， 如点火提前角、转速、转矩等，并能提供实时燃烧分析结果； 2 、用系统的瞬念数据采集及分析功能，详细研究了着火时刻、燃烧持续期、 i m e p 、c o v i m e p 等参数，着重分析燃料理化特性及燃烧边界条件对h c c i 燃烧过 程影响，为基于循环的h c c i 控制提供有价值的信息。 第二章缸内乐力实时采集及燃烧特性分析系统开发 第二章缸内压力实时采集及燃烧特性分析系统开发 着火时刻和燃烧反应速度控制是h c c i 燃烧控制的关键，h c c i 着火时刻和 燃烧反应速度等燃烧特性跟混合气成分、燃烧边界条件及运行工况有关，为了研 究燃烧边界条件与燃烧特性对h c c i 燃烧的影响以及燃烧特性，开发了一套实时 采集及燃烧特性分析系统，可实时判断其燃烧状况，提高实验研究效率，同时通 过建立相应的数据库对缸内压力及燃烧特性参数的存储，为进一步分析h c c i 燃 烧特性积累原始数据。本章介绍了作者丌发的内燃机缸内压力实时采集及燃烧分 析系统，并定义了描述h c c i 燃烧特性参数。 2 1 实时信号采集分析系统的硬件设置 2 i 1 硬件结构总体分析 由于发动机运转时产生噪声、振动、污染、高温，它在歼机试验的过程中， 对电网产生干扰，且存在着不稳定因素等原因，所以，发动机状态监测系统工作 环境恶劣，而发动机试验对参数采集精度、控制精度和灵敏度、系统的稳定性、 可靠性等要求都很高，因此选择能在恶劣工作环境下长期可靠工作、抗干扰性能 好的工业控制p c 机。为了满足采样频率和精度的需要，选用了a c 6 1 1 1 数据采 集卡。实际工作中，通过角标触发，对发动机台架的传感器发出的电信号( 记录 同一曲轴转角下缸内压力的数值和上止点信号出现与否) 进行采样，电信号通过 电荷放大器放大后，由a c 6 1 1 1 数掘采集卡转换成为数字信号，读入p c 机中的 数据采集系统，进行数据处理分析级存储工作。图2 1 为数据采集系统硬件总体 结构框图，显示了硬件设置结构。 发动机台架 传感器 ( 采集电信号) 电荷 放人器 ( 放人) a c 6 l l l 数据采集# ( a d 转换) 数据采集系统 ( 数据处理) 图2 1 数据采集系统硬件设置结构 计算机 ( 实时 显示) 第一二章缸内压力实时采集及燃烧特性分析系统开发 2 ，1 2 采集卡及其工作原理简介2 0 l a c 6 1 1 1 具有1 6 路模拟输入、2 路1 2 位d ，a 输出、1 6 路可编程开关量、一 路1 6 位计数器、采集转换支持多种触发形式，可以直接插入电脑主机的任意一个 p c i 插槽中。1 2 位4 0 0 k h z a d 转换器，输入阻抗：大于1 0 0 mq ，最大输入电 压： + 1 2 v 一1 2 v ，瞬时输入耐压：3 0 v + 3 0 v 。程控模拟输入范围，双极性 输入幅度：5 v 、士1 0 伏，单极性输入幅度：5 v 、1 0 v 输入，精度0 1 ，分辨 率1 l s b 。a d 最大通过率：4 0 0 k h z ，输入通道建立时问 2 u s 。 当启动采样后，a c 6 1 1 i 采集卡即按设定的采样方式、速率等参数进行采样， 数据按时间和通道顺序进入板载f i f o 中；当板载f i f o 半满时，产生中断；驱 动程序响应中断，将2 0 4 8 个采样点写入缓冲池。应用程序方面随时可以查询采 样状态，查看缓冲池中的数掘情况，按需要读取缓冲池中的数据。由于在内核中 使用了中断方式，其优先级别高于其他操作，因此可保证采集卡的采样数据完整 的进入r i n 9 0 层的数据缓冲；但应该注意的是要在内核缓冲池溢出之前，及时读 走数据，例如4 0 0 k 采样速率有5 秒的缓冲时间( 4 0 0 kx5s = 2 m ) 。 ，二芝 内搿 高 7 7 、 、 、。 厂遗 | c | i1 lji 厂、 h j l镪= 4 叠翩 户幽 l i：! 一d b 警l 。 ， 刊叭i 一l u 。 j - - - - - 、一一， i 数字i o 计数江 i 计数 数i o 字削。 d 辨 i 器 f 一! ；一， 图2 - 2 采集卡工作原理示意图 第一二章缸内压力实时采集及燃烧特性分析系统开发 l 、a d 工作模式及参数： 采集启动模式分为软件触发启动和硬件触发( 外触发) 启动。外部触发的极 性可以选择为“上升边沿”或“下降边沿”有效。触发输入使用r r l 电平，内 置1 0 k 上拉电阻，c m o s 输入。输入带s h m i t 触发器。采样定时器模式可选择内 部时钟和外部时钟。外部时钟支持上升、下降边沿选择。板上时钟为1 6 位定时 器、基准时钟4 m h z ，设置范围在1 0 6 5 5 3 5 ，对应采样速度为4 0 0 k h z 1 6 h z 。外 部时钟输入使用t 1 l 电平，输入特性同外部触发输入。时钟输入最小有效脉冲 宽度：大于l o o n s 。时钟频率必须小于对应采样模式的最大采样速度。a d 与计 算机采用f i f o 接口，容量4 k 字，提供f i f o 空、半满、溢出标志。其中半满标 志支持中断。 2 、a d 数据格式转换 由于1 6 位读入数据的高1 2 位为1 2 位采样数据。数据格式定义如图2 3 ： d 1 5d 1 4d 1 3d 1 2d 1 1d l od 9d 8 a 。a d l oa d 9a d 8a d 7a d 6a d 5a 。4l d 7 d 6 d 5d 4d 3d 2d 1d o a 。3a d 2a d la d o1 0 1l o o t r s i g n c h s i g n 图2 - 3 数据格式示意图 d 1 5 d o ：1 6 位数据的从高到低位。 a d l l - a d 0 ：1 2 位采样数据，( m s b l s b ) 。 1 0 1 ：开关量通道l 状态。 1 0 0 ：开关量通道0 状态。 t r s i g n ：触发标志，= 0 ：没有触发= l ：触发有效 c h s i g n ：通道标志，= o ：数据为起始通道数掘= 1 ：其他通道的数据。 因此，用户必须将1 6 位f i f o 数据( f d a t a ) 转换为1 2 位采集数据d a t a ，方法如 下： 设a d 读入数据为：d a t a ( d a t a = o - 4 0 9 5 ) ，对应电压为： o - 5 v 输入：v = d a t a * 5 0 0 0 0 4 0 9 5 0 ( m v ) o 一1 0 v 输入：v = d a t a 1 0 0 0 0 0 4 0 9 5 0 ( m v ) 5 v + 5 v 输入：v = ( d a t a 一2 0 4 8 ) * 5 0 0 0 0 2 0 4 8 0 ( m v ) 1 0 v 十1 0 v 输入：v = ( d a t a 一2 0 4 8 ) + 1 0 0 0 0 。0 2 0 4 8 0 ( m v ) 第二章缸内压力实时采集及燃烧特性分析系统开发 3 、采集卡的工作流程 a c 6 1 l l - l n l ( ) 初始化 设置采样通道，采样次数、 采样模式、触发模式、时钟模式 a c 6 l l lr u n ( ) 开始采样 a c 6 1 l is t a t e ( ) 查询f i f o 状态是否达剑 半满状态或设定数值 存储，画图 a c 6 1 1 1s t o p ( ) 停 r 采样 a c 6 l1 1c i o s e d e i v c e ( ) 群放设各句柄 图2 - 4 数据采集软件的设计框图 继续 采样 循环 无论采取采集启动模式或者采样定时器模式，在程序的丌始处都要执行 a c 6 1 1 lc r e a t e d e v i c e ( ) 以获得驱动句柄，因为在整个程序体内a c 6 1 1 1a p i 函 数对设备的识别都要依靠该句柄，如a c 6 11ld a o 等等；执行a c 6 11 1 一i n i ( ) 进行参数仞始化，设置采样通道、采样次数、采样模式、触发模式及时钟模式等： 运行a c 6 t 1 1r u n ( ) 进行采样，采样数掘按照采集顺序( 从起始通道到截止 通道) 循环存放到容量为4 0 9 6 字的f i f o ( 先进先出寄存器) 中，f i f o 具有空 第二章缸内压力实时采集及燃烧特性分析系统开发 ( e f ) 、半满( h f ) 、溢出( f f ) 标志，当检测到半满标志或设定数值后，立即 读入2 0 4 8 个或设定个数据，以保持f i f o 中的数掘不超过4 0 9 6 个，否则f i f o 溢出，数据队列顺序会打乱，新进入的数据将冲掉最先写入的数据；程序结束时， 先调用a c 6 1 1 1 一c l o s e d e i v c e ( ) 释放设备句柄，然后再进行退出应用程序。图 2 4 为针对长时间达数据流采集要求设计的a c 6 1 1 1 卡卡内数据采集软件框图。 2 2 实时信号采集分析软件的开发 2 2 1 软件总体框架设计口1 1 1 2 2 1 实时信号采集分析软件是系统的核心，实现对发动机的实时监控和状态信号 存储，完成发动机状态的自动识别、特征提取、状念分析等。该系统采用了面向 对象程序设计，先进的数据库技术及图形用户界面的思想，所以编程上灵活简便， 有利于随着技术的发展实现技术的升级。系统采集模块实时性强。各分析模块在 w i n d o w s 平台上以c + + b u i l d e r 为工具丌发，纯中文图形界面，操作方便。 实时信号采集分析软件的主要功能如下所述： ( 1 ) 参数采集功能监控软件所需处理的信号来自与之相连的电控单元。信号 是以数字信号的形式通过计算机串口接收的。 f 2 ) 数据实时显示功能可以将各项采集参数以图形和数据相结合的方式显示 出来，使发动机工况和电控单元的控制情况一目了然，便于进行进步分析和处 理。 ( 3 ) 参数在线调整功能通过监控系统可以发送信号给单片机，单片机根据监 控系统命令，调整其控制参数，可以实现控制参数的在线调整。 ( 4 ) 数掘保存功能在对e c u e e 控单元控制情况和发动机工况监控的过程中， 对于采集来的各项参数，可以有选择地进行保存，供以后参考和使用。 ( 5 ) 数据离线图形化显示功能对于监控过程中保存下来的数据，需要进行图 形化显示，以便进一步研究和分析，因此在监控软件中加入了离线图形化显示功 能。 ( 6 ) 报警功能在发动机工况参数和电控单元控制参数超出设定范围时能发出 警告，提醒试验人员及时调整，也可按照预先设定的处理方式进行处理，避免出 现意外情况。 为了实现实时信号采集分析软件主要由采集模块、分析模块( 包括示功图分 析和燃烧分析) 等组成。各子模块均可独立实现自己的功能，具有高内聚、低祸 合的特点，很好的解决了模块问的协调工作。 第二二章缸内乐力实时采集及燃烧特性分析系统开发 图2 5 给出了实时信号采集分析系统软件的框图。 2 2 2 软件系统的特点 图2 - 5 实时信号采集分析软件框图 l 、界面友好、操作简便、容错性强 该软件运行于w i n d o w s 环境下，采用中文图形界面，同时支持鼠标操作和 键盘操作。程序的全部操作高度统一，便于用户掌握。 2 、功能丰富、方法先进 该系统是在充分发挥多任务操作系统优点的基础上建立起来的，除提供各种 传统的信号分析方法外，还研究丌发了采集存储、精细分析、数字滤波等多种先 进的手段方法，丰富了系统的功能，提高了分析结果的准确性。 3 、实用性强 该系统机动态信号采集存储、在线分析于一体。系统是用于多种发动机和多 种燃料的实验分析，可作为专业或非专业人员进行状态监测和分析的有力工具 2 2 3 主要功能模块设计1 2 3 j 【2 4 j 目| j i ，该系统软件主要由实时采集显示模块、示功图分析模块、燃烧分析模 块和发动机参数设定模块等四个功能部分组成。 第一二章缸内乐力实时采集及燃烧特性分析系统开发 1 实时采集显示模块 实验数据采集模块中，本系统数据采集包括气缸压力采集和常规数据采集两 部分。气缸压力采集依据外触发外时钟信号进行采样，产生示功图；而常规数据 采样，如空燃比、转速和转矩等则采用串口通讯将数据送至主机。 采样过程中以气缸压力采集作为多数据采集的核心，保证缸压采集的优先 权，同时利用每次缸压采集的启停时刻确定其他数据的相对采集时刻。为保证各 工作循环采集的独立性，不发生相互的干扰，每次缸压采集均以光电编码器的触 发信号作为采样启始信号，利用a d 采集卡的f i f o 半满信号或达到程序设定采 样个数所产生的硬件中断申请，强迫c p u 以最快的速度去进行数据传输。这样 用户可以在两次缸压数据之阳j 有更多的时间来处理其他数据的采集工作。同时， 在这段间隔时| 日j 中还可进行数据显示、动态曲线绘制、实时示功图分析、实时燃 烧分析等多项工作，这也是多数据实时采集同步性的重要保证。 为满足实验数掘处理的需要，还在当前数据文件存在的文件兴中，保存当前 的实验边界条件。 图2 - 6 实时采集显示模块界面 针对目前的实验要求，本系统采用双通道分别对缸内压力数值和上止点位置 同时进行采集，并且能够实现实时显示。考虑到采集过程中将根据研究需要对示 功图进行显示范围的局部调整或放大，系统设定了横坐标的调整范围和上止点位 置的平移范围，在此区间内可依掘需要对示功图进行调整，随后可将相应的数据 第二章缸内乐力实时采集及燃烧特性分析系统开发 存储进入数据库。依据信号实时采集分析功能，用户可以实时监控发动机的运行 状态，并对观测到有研究价值波形的数值、曲轴转角以及对应工况的有效性能参 数和指示性能参数进行实时存储，以供后续分析。该模块界面如图2 - 6 所示。 2 示功图分析模块 该模块将对采集的气缸压力进行燃烧分析，得到了燃烧特性参数，包括单个 循环实时分析和多个循环均值处理后的燃烧分析，同时针对多个循环均值处理后 得到的燃烧特性参数，分析燃烧边界条件及燃料对h c c i 燃烧过程的影响。显示 了均化处理后的示功图，光顺后的示功图，压力升高率图及平均指示有效压力图， 这样可以形象地看到采集信号随机波动造成的影响。由于实际发动机实验和示功 图的测录过程中，常有一系列因素影响这示功图本身的正确性，为了对测量数据 进行修正。本系统采取对上止点位黄调整、均化处理示功图、光顺处理示功图等 三种方法，同时还可监控压力基线的漂移并进行调整。图2 7 显示示功图分析模 块界面。 ( 1 ) 确定上止点的位置 在示功图分析时，精确标定上止点是一个必不可少的环节。上止点误差，是 影响放热率曲线计算精度的重要因素之一。它对放热率曲线，特别是对上止点附 近的放热率曲线有明显的影响。示功图上止点误差rc a 将使放热率峰值产生 5 的误差，而2 。c a 的定位误差将使放热率峰值产生1 5 的误差，累积放热量 将产生大约1 0 的误差。同时上止点偏差l 。c a 还将给平均指示压力计算结果 带来7 8 的误差口5 l 。 准确地判断上止点是很困难的。这是因为上止点是一个相对量，由于发动机 工作时受到高温燃气压力及往复惯性力的作用，活塞与曲轴连杆机构变形、轴承 间隙、曲轴扭转角和扭振角等也要变化，使得在工作状态时的动态上止点相位偏 离静态上止点。由此，动态上止点的确定不可避免的存在误差。 确定动态上止点的方法很多，其中有代表性方法是直接测量法、气缸压缩峰 线法、平均指示压力法、多变指数法等1 2 3 1 。由于多变指数n 对上止点的角位误差 非常敏感。当上止点有误差时，n 值会突变，变化趋势约成双曲线。所以，本系 统采用多变指数法校验和查找上止点，即根掘多变指数n 在上止点附近是否有突 变及突变程度如何来判断上止点是否正确以及精确程度，同时可给出上止点的位 置。 ( 2 ) 均化处理 为了描述h c c i 燃烧特性，需要对采集的多个循环相应曲轴转角位置上的缸 内压力取平均值，即对测得的多个相同功况下的示功图进行均化处理。循环数选 择得越多，最终得到的示功图代表性和可信度越好，但工作量和数据贮存空| 日j 消 第二章缸内雁力实时采集及燃烧特性分析系统开发 耗量也越大。在着火前的压缩线段和膨胀线上，单循环示功图有一些无规律的压 力波动，这是由各种误差造成的。而通过对多个循环平均化处理后，这些不规则 的、无规律的、由各种误差造成的波动全被均化处理掉。由于h c c i 在小负荷功 况循环波动较大，而循环波动又是判断“失火”的重要根据，因而系统采集的循 环数要取得大些，本文实验中每个工况采样1 0 0 个循环。均化处理的步骤如下： 1 ) 在稳定工况下连续测量n 个循环的缸内压力，则每个曲轴转角有1 1 个测 量值，记作p 。，巾为曲轴转角，产1 ，2 3 1 1 n 为循环数： 2 ) 根据最小二乘原理，若读数值的分布满足正态分布，则在一组等精度测 量中，算术平均值为最佳值，故对每个测量点求平均值： 击 二见， ( 2 i ) 岛2 t 产 3 ) 计算或然误差： y p - o 6 7 4 5 生丁 f 宝0 。一p ，) 2 ( ：- 2 ) 4 1 舍弃可疑读数值 如果某一读的l 警卜大邢蝌就舒这一觏 n51 01 s2 05 01 0 0 6 2 52 93 23 33 84 2 5 ) 计算舍弃可疑读数后各点计算点的压力平均值 岛5 气( 2 - 3 ) 善乃， m 为舍弃可疑读数后剩下的循环个数。 ( 3 ) 光顺 在压力信号的测试、采集、传输、记录、分析和回放过程中，随即误差和系 统误差使很难避免的。这些误差造成示功图曲线的某些波动，导致其一次导数不 连续。特别是膨胀线的低压部分的误差，将使这段的放热规律曲线有严重的波 动。为了减弱干扰的影响，提高曲线的光滑度，便于对燃烧特性参数分析，常常 需要对采样数掘进行平滑处理。但由于采集误差的存在，常使压力曲线并不满足 可导条件，因此用数学方法计算的放热率曲线一般会产生较大的振荡，这将掩盖 放热率曲线的主要特征。为此需要进行光顺处理。 第二章缸内压力实时采集及燃烧特性分析系统开发 光顺处理的方法很多，如样条函数、最小二乘法、正交多项式、五点三次 1 2 5 l 【2 6 】。五点三次平滑公式为公式( 2 _ 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 。 y 卜去【6 9 y ，+ 4 ：+ y 4 ) 一6 圹乃】 ( 2 - 4 ) y ；= 击埙) + 2 7 y 2 + 1 2 y ，唧。】 ( 2 - 5 ) = j 1 5 。3 “一2 + 十1 2 以。+ + 1 7 只1 ( f = 3 ，4 ，胛一2 ) ( 2 - 6 ) y