（动力机械及工程专业论文）hyl内燃机瞬态过程数据采集系统的研究开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 衲燃机数据采集系统几乎应用在内燃机研究的各个领域。在内燃机工作 过程、振动、排放、噪声以及故障诊断等方面的研究中，瞬态参数采集处理 系都发挥着巨大作用。 现代内燃机工作过程研究需要能进行多通道高速同步采集，大数据量存 储的瞬态参数采集系统。针对内燃机数据采集的特殊要求，本课题设计开发 了由上、下位机共同组成测试系统0 本文设计了瞬态量数据采集电路，实现 了8 路瞬态量同步采集；设计了瞬态量数据采集触发方式选择电路，使数据 采集既可以按照外触发信号( 如角标信号) 进行采样，也可以按设定的频率 由内时钟控制采样，便于系统在各种应用场合进行数据采集；设计了新型的 大容量存储器地址译码电路，通过计数器实现对存储器的寻址，使可寻址范 围达到4 m w o r d s ；( 设计了专用数据存储电路，将转换结果高4 位和低8 位同 时存储到高位数据存储器和低位数据存储器，提高了数据存储器读写速度， 提高了采样速率：设计了瞬时转速测量电路，并设计了角标信号分频电路， 可将角标信号进行l 、2 、4 、5 、1 0 分频，满足不同测试要求的需要：为充分 发挥上下位机各自的优势，将采样速率要求不高的稳态量由上位机进行数据 采集，同时上位机还可以直接监测瞬态信号，起到动态示波器的作用；设计 了上下位机通讯接口，采用增强型并行口( e p p ) i 作模式，保证了高达 2 m b ”e s s 的数据传输速率，满足进行大容量数据传输的要求；制定了新型的 通讯协议，在命令传输中可进行数据校验，保证数据传输的正确性。 在完成h y l 数据采集系统开发的基础上，对系统采用的计算模型进行了 讨论，分析了示功图测量的主要影响因素，提出在对示功图处理时，用绝压 传感器测量进气歧管压力，用以作为压力基准，用多变指数法确定上止点可 以取得较理想的分析结果。 本文选用广义频率抽样滤波法对带通道效应的示功图进行滤波。依据实 测示功图对该方法有关参数的选择进行了讨论。指出以0 2 0 c a 分辨率采样时， 以基频的2 5 0 倍谐波作为截至频率，滤波效果较好。本文还比较了滤波前后 压力升高率、放热规律等特征参数的变化，表明采用广义频率抽样滤波法滤 山东大学硕士学位论文 波后，通道效应引起的压力振荡明显减少，而对压力升高率、放热规律等特 征参数的影响较小，是比较理想的滤波处理方法之一。、 关键词：内燃机，数据采集与处理系统，放热规律，测压通道效应 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi sa l m o s ta p p l i e di ne v e r y a s p e c t o fr e s e a r c h t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mf o rt r a n s i e n t p r o c e s sh a sb e e nu s e dg r e a t l yi nt h er e s e a r c ho f i c e n g i n ew o r k i n g p r o c e s s ，v i b r a t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n ，n o i s e ，f a u l td i a g n o s i sa n d e t c m o d e mr e s e a r c h e so fi c e n g i n ew o r kp r o c e s sr e q u i r et h a tt h e s y s t e mh a s m o r ec h a n n e l s ，s i m u l t a n e o u s l ya n dq u i c k l y s a m p l ea n d l a r g ec a p a c i t yo f d a t as t o r a g e t om e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t s ，an e w s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h eu p c o m p u t e r a n dd o w n c o m p u t e r t h i st h e s i sp r e s e n t st h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no f t h es y s t e m at r a n s i e n tp a r a m e t e rm e a s u r em o d u l eh a sb e e nd e s i g n e d f o rt h ed a t aa c q u i s i t i o no f8t r a n s i e n ta n a l o gs i g n a l s at r i g g e rm o d e h a sb e e nd e i g n e dt oe n s u r et h ea c q u i s i t i o np r o c e s sc a nb ec o n t r o l e d b ye x t e r n a lp u l s e ( t h e c as i g n a l ) o ri n t e r n a lt i m e p u l s e an e w a d d r e s sb u s s y s t e m f o rl a r g ec a p a c i t yr a mh a sb e e n d e v e l o p e d w i t h c o u n t e r s ，w h i c he n l a r g et h e a d d r e s sr a n g et o4 m w o r d s an e wd a t a s t o r a g em o d u l eh a sb e e nd e s i g n e dt os t o r eh i g h4b i t sd a t aa n dl o w 8 b i t sd a t ai nr e l a t i v er a ms i m u l t a n e o u s l y ，w h i c h i m p r o v e s t h e a c c e s s i n gs p e e da n dt h es a m p l ef r e q u e n c y t h et r a n s i e n tr o t a t i o n a l s p e e dm e a s u r i n g a n dt r i g g e r s t n g a lp r o c e s s i n gm o d u a lh a v eb e e n d e s i g n e da n d t h et r i g g e rs i n g a lf r e q u e n c yc a nb ed i v i d e db y1 , 2 ，4 ，5o r 10t om e e td i f f e r e n tm e a s u r er e q u i r e m e n t s t ot a k ea d v a n t a g e so ft h e u p - c o m p u t e ra n dt h ed o w n - - c o m p u t e rr e s p e c t i v e l y , t h es t e a d ya n a l o g s i g n a l sa r es a m p l e db yu p c o m p u t e r a n d t h eu p c o m p u t e rs e r v e sa l s o a sa l l o s c i l l o g r a p h t om o n i t o rt r a n s i e n t a n a l o gs i g n a l s i n s a m p l e p r o c e s s t h e i n t e r f a c e l i n k i n gu p a n dd o w n c o m p u t e r h a sb e e n d e s i g n e db yu s i n g e n h a n c e dp a r a l l e l p o r t ，w h i c h e n s u r e sd a t a e x c h a n g es p e e do v e r2 m b y t e s sa n d i ss u i t a b l ef o rl a r g ec a p a c i t yd a t a i l i 山东大学硕士学位论文 t r a n s f e r t oa v o i dt h em i s t a k e si nd a t a e x c h a n g e ，an e wt r a n s f e r p r o t o c o l h a sb e e n d e v e l o p e d i nw h i c hd a t aa r ec h e c k e di nt h e c o m m a n dt r a n s f e r t h i st h e s i sh a sd i s c u s s e ds o m ec a l c u l a t i o nm o d e l su s e di nt h e s y s t e ma n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ei n d i c a t o rd i a g r a ma n a l y s i s ， a n dp o i n t so u ts a t i s f a c t o r yr e s u l t sc o u l db ea c h i e v e db yc a l i b r a t i n g c y l i n d e rp r e s s u r e w i t hi n t a k e p r e s s u r e a n d p h a s i n g t d c b y t h e r m o d y n a m i c m e t h o d s t h ei n t a k e p r e s s u r e c a nb em e a s u r e db y a b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r i nt h i ss y s t e m ，t h ei n d i c a t o rp a s s a g ee f f e c th a sb e e nf i l t e r e db y g f s f ( g e n e r a l i z e df r e q u e n c ys a m p l ef i l t e r ) b a s e do nt h em e a s u r e d i n d i c a t o r d i a g r a m s ，t h ed e s i g np a r a m e t e r s o fg f s fh a v eb e e n d i s c u s s e d a n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ef i l t e re f f e c tw o u l db e s a t i s f a c t o r yw h e na d o p t i n g2 5 0r e s o n a n c ew a v ea st h ee n df r e q u e n c y u n d e r0 2 。c ar e s o l u t i o n c o n t r a s t i n g t h ef i l t e r e dr e s u l t st or a w c y l i n d e rp r e s s u r es h o w s t h a t t h ep r e s s u r eo s c i l l a t i o ni sw e a k e n e da n dc a l c u l a t e d a p 却，h e a tr e l e a s e r a t eh a v en e g l e c t a b l ea f f e c t t h ef i l t e r e dr e s u l t sc e r t i f yt h a tt h eg f s f i sa ne f f e c t i v em e t h o dt of i l t e rt h ei n d i c a t o rp a s s a g ee f f e c t k e y w o r d s ：i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e s ，d a t aa c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e m ，h e a t r e l e a s er a t e ，i n d i c a t o rp a s s a g ee f f e c t 山东大学硕士学位论文 1 绪论 【内容简介l ：本章在概述了数据采集系统在内燃机性能研究中的应用和内燃机瞬态参数 采集系统的发展历程及其特点的基础上，提出了对新型内燃机数据采集系统的要求，分 析了开发新型数据采集系统的必要性，最后指明了本课题的主要研究内容。 1 1 数据采集系统在内燃机性能研究中的应用 科学技术的发展，使内燃机测试技术成为一门相对独立的学科，并促进 了它的不断更新。内燃机测试技术的发展，不仅提高了对内燃机各类参数的 测量精度，而且为研制更高水平的内燃机提供了重要保证。 随着计算机技术的发展，瞬态参数采集分析系统的应用得到迅速发展。 内燃机数据采集系统几乎应用在内燃机研究的各个领域。在内燃机工作过程、 振动、排放、噪声以及故障诊断等方面的研究中，瞬态参数采集处理系都发 挥着巨大作用，数据采集系统提供的数据为研究工作的深入进行奠定了基础。 在内燃机工作过程研究中，数据采集与分析系统经常应用到以下几个方 面。 1 1 1 示功图测试技术 由于对发动机发展的要求日益复杂与严格，发动机的设计已不再局限于 满足于高功率、高可靠性、低价格这些传统的要求。而对低排放、低燃油消 耗及低噪声等方面的追求则愈加迫切。 在内燃机中，基本上发生两种能量转换。首先，是燃油的化学能通过燃 烧转换为热能，然后，热能转换为从曲轴端输出的机械能。在这些转换过程 中，要发生自然损失，所有损失的总和决定了发动机总的燃烧效率。 台架试验，可以测出发动机的输出功率，但是伴随发动机工作过程的各 种损失，如换气损失和燃烧损失、运动件的机械损失等，在通常的台架试验 中反映不出来。如果能测取发动机燃烧室内压力的变化轨迹，即示功图，就 可方便地分析出这些损失。依据示功图，还可得到缸内峰值压力，压力升高 山东大学硕士学位论文 率、平均指示压力等、机械效率等参数。 示功图是研究发动机工作工作过程不可缺少的资料。从示功图中可以获 得大量的信息。如： 1 平均指示压力p 和指示功率尸。 由测录的示功图和发动机转速，结合发动机的缸径、行程、曲轴连杆比、 压缩比、冲程数等，可以计算得到p 和p 。人所共知，这两个数据是表征整 机性能的重要指标。 2 最高燃烧压力p ：及其所在的曲轴转角妒：。 由示功图可以直接得到p ：和吼值。前者是计算和评价发动机零部件强度 的主要依据，后者是评判燃烧放热的及时性和离位程度的依据。 3 最高燃烧温度l 。及其所在的曲轴转角竹。 在进行放热规律计算时，可得到7 1 一妒图，并得到k 和研一值。 4 最大压生率( 为一及其所在的曲轴转角孵。 对压力曲线微分，得到压力升高率婴随曲轴转角的变化拿一妒图。从 口伊d p 该图中可以获得最大压生率( 务。及其所在的曲轴转角纯。( 老) 。是衡量 发动机工作粗暴程度的主要标志之一。妒，是衡量燃烧放热及时性的另一重要 依据。 5 压力升高加速度随曲轴转角的变化规律1 2 一妒 d 对压力曲线求二阶导数可得到等等一妒。从该图中获得最大压升加速度及 d 口“ 其所在曲轴转角( 罢蚤一和。前者是佐证是否出现燃烧压力振荡及其强度 口口 的主要依据，也是评断燃烧过程激烈程度的主要依据。 6 着火点开始点仍。 通过放热规律计算或压力升高率曲线，可确定着火点的位置妒，以及着火 时气缸内的压力和温度。 7 滞燃期仍和f f 根据和喷油提前角，可以确定滞燃期仍和。同时获得喷油时缸 2 山东大学硕士学位论文 内的压力岛和温度乃。 8 根据、吼和妒，一，可以求出速燃期竹= j l + 铭以及主燃期 ii 2 1 l + 卿m “。 9 最大压差率占。 根据若干循环中出现的最高压力线( 由每一曲铀转角中的最大值组成) 、平 均压力线和最低压力线，可以获得3 条压力线的最大值。、p m 和。进 而计算得到最大压差率： 艿：旦! 婪二曼型 ( 1 1 ) 9 p 最大压差率的大小标志着发动机燃烧过程的稳定性和燃烧压力波动率。 l o 放热规律 根据示功图，可以计算得出放热规律曲线笔一妒及质量燃烧率x - 伊曲 线。 1 1 对若干循环的示功图进行统计，可以得到峰值压力概率密度分布图和 其出现位置的概率密度分布图。这两个图可以评价燃烧过程的稳定性。 1 2 根据气缸压力数据，可以给出压缩过程多变指数n 和膨胀过程多变指 数n ：随曲轴转角的变化规律伊和门：一p 。 1 3 根据示功图可以判断是否存在燃烧压力振荡。如果有燃烧压力振荡， 可以用滤波器数截留出燃烧压力振荡的振荡压力波形。从而可以确定最大振 幅和压力的衰减规律。 1 4 将发动机处于拖动工况，可以获得拖动示功图p p 和拖动p v 图。 从而可以确定拖动功、最高压缩压力p 。及其相应的角位妒。 1 5 据低压示功图，从而可以分析泵气损失。 根据这些信息量，可以对发动机工作过程进行深入的研究。 1 1 2 过渡工况测试 在发动机广泛采用电子控制的今天，应用电控手段对其在非稳定工况下 的工作过程实施有效控制已成为可能。随着排放法规的日趋严格，发动机过 渡工况的研究越来越受到重视。例如，对于车用汽油机，其大部分的有害排 山东大学硕士学位论文 放物是在非稳态过程中产生的。在稳态工况下，由电控系统调节汽油机的空 燃比，使其在化学计量空燃比附近波动，催化器转化效率较高，排气中的有 害排放物通过催化转化器的转化将大大降低，排到环境中的有害排放物很少。 而在非稳态过程中，很难将空燃比维持在化学计量空燃比附近，催化转化器 的效率较低，有大量的有害排放物排入大气中。要对非稳定工况实施最优控 制，就需要对非稳定工况下发动机的工作过程做深入研究。放热规律分析也 是非稳定工况下燃烧过程研究的基本手段之一。 对发动机过渡过程进行研究，需要连续同步记录过渡过程中有关热力参 数的变化历程，研究各循环间燃烧过程的差异和影响因素，进而研究改善发 动机过渡过程性能的途径和措施。 1 1 3 喷油规律的测定 柴油机性能取决于燃烧室形状、缸内空气运动、喷油规律三者配合关系。 三者的关系决定了燃烧放热规律。在发动机基本结构确定后，缸内燃烧放热 规律主要取决于喷油规律。因此，柴油机喷油规律是决定其性能的重要因素 之一。 柴油机喷油规律，是指喷油速率随时间或曲轴转角的变化规律，它取决 于喷油系统的主要结构参数，如喷油泵凸轮型线、柱塞直径、高压油管管径、 喷油嘴喷孔截面积 等。喷油规律虽可通 过理论计算预测，但 最直接和简单的方法 还是进行实测。 上世纪7 0 年代， 国内开始开发与应用 波许( b o s c h ) 长管法的 喷油规律测量仪。这 是一种适合于中小型 柴油机喷油规律的间 接电测法，是采用一 嚣2 4丝2 1 l 转谴衰2 唪油蕞耐验台3 光盘光电傺感s 定点信号 6 特角睬冲信号7 擞油精宣劬捷棚5 疃油夏g 龋濉1 0 针丽羿程仪 1 1 压电传聃1 2 电荷太1 3 电摘献走1 4 压电俸黼1 5 噜油薯 1 6 长i t 节掮博天平1 9 接口籍2 n 麓帆 2 l 示渡砧绘田仪2 3 打印帆爿蠢锻勒墨 昱祝 图1 1 柴油机喷油规律测试装置 4 山东大学硕士学位论文 套长管装置将喷油率的测量转换为压力波的测量。它可测出单次喷射的喷油 规律，但由于当时采用应变式测压装置，频响特性较低，加之采用光线示波 器进行纪录，测试误差较大，其测得数据的分析处理也十分麻烦，难以满足 工程实用与理论研究的要求。 内燃机数据采集系统的发展，使喷油规律的测量应用更加便利。图11 为实际开发应用的一种测试柴油机喷油规律的装置。 安装在凸轮轴上的光电传感器产生两种信号，一是每循环一个的同步信 号，作为每循环采样的开始信号，保证多循环采样的同步；二是一定凸轮轴 转角一个转角脉冲信号，用以控制长管压力信号在时间上的离散。 1 1 - 4 配气机构动态参数的测试 配气机构动态参数的测试与处理技术是研究配气机构的工作特性、设计 和改进配气机构的重要手段。配气机构的动态测量可使用直接测量法和间接 测量法，间接测量法是测量气门的加速度，经积分运算获取配气机构的速度 和升程曲线，较之直接测量速度和升程具有方便和精度高的优点，故在目前 配气机构的动态测试中得到了广泛应用。 图1 2 为一配气机 构动态参数的测试的结 构示意图。为提高测量 精度，数据采集系统的 设计应注意以下几方 面。 1 为保证信号采集 结果与曲轴转角间有严 叵亘卜世。| 茔 臣亘j _ _ 一 连恫兰| l t j l 二i i_ 。盎气n 开囊- 卜；+ t 董 i r l f 毛ml l 一一竺! ! ! ! f _ jl 打印i i正力l i。一 图1 2 配气机构动态参数的测试系统 格的对应关系，数据采集以发动机上止点位置作为信号的时间参照点，用曲 轴转角信号作为采样脉冲信号。 2 “有效”上止点判别，由于四冲程发动机每工作循环转动7 2 0 0 c a 曲轴 转角，其间有两个上止点信号。一般以第一缸供油或点火时相应的上止点为 参照点，采集系统应具有判别该“有效”上止点的功能。 3 配气凸轮的工作段只占发动机工作循环的一小部分，为了节省内存，提 山东大学硕士学位论文 高采样效率，要求能对指定区间进行采样。 4 数采系统能同布测取多路信号，并且能次连续测量若干个工作循环。 5 为保证高的曲轴转角分辨率，要求数采系统具有较高的采样速率。 1 1 5 瞬时转速测量 转速是内燃机一项重要的运转参数，它是内燃机试验研究中的必测项目。 由于内燃机工作过程的周期性，使内燃机在运转中必然存在两类转速变化， 一个工作循环内的转速波动和相继循环的转速变动。前者与内燃机气缸内的 工作过程密切相关，反应出了缸内工作过程的进展情况，后者可以描述内燃 机变工况过渡过程的进展情况。也可表达内燃机在稳定工况下相继循环的差 异f 2 】。近年来，国内外内燃机研究者已开始进行瞬时转速方面的应用研究 p i 4 i ，并取得了一些成果，如b r o w nt e r r e n c e 等研究在一柴油机上采用模态 识别器与已知瞬时转速的基准模态进行比较，以获得气缸燃烧峰值压力【5 1 。 国内也已经开始类似的研究，例如山东工业大学就进行了依据相继循环的转 速变化特征，根据惯量加速原理，测定内燃机功率、扭矩和摩擦损失功率的 研究 6 1 1 7 ；依据工作循环内的转速变化情况，对气缸密封性、燃烧峰值压力进 行预测的研究1 8 1 。 对瞬时转速测量也是内燃机数据采集处理系统应当具备的功能，在过渡 过程研究中，我们希望能得到与各测量值相对应的时间及转速。在通过示功 图对内燃机工作状况进行研究时，往往是对其中一个缸进行测量，而通过瞬 时转速，可以方便地判断出该缸与其他各缸燃烧压力的差别。通过瞬时转速 的变化，还可研究内燃机的瞬时摩擦损失。 1 2 内燃机瞬态参数采集系统发展历程 为了发动机性能研究的需要，上个世纪8 0 年代以来国内许多部门从国外 购置或是自行开发了发动机燃烧分析系统。在当时，尤以日本小野公司的c b - - 4 6 6 等和奥地利a v l 6 4 6 等系列产品更受青睐。这两类产品都是以专用仪器 形式面世的，性能优良。而美国p e i 和d s p 公司的产品则是利用通用微机开 发的比较成功的产品。 从国外产品的发展历程来看，初期的采集系统不具备同步采样功能，主 6 山东大学硕士学位论文 要用于稳定工况下的数据采集及燃烧分析，而后期的产品则具有同步采样功 能，提高了角度分辩率，配备了大容量存储器并能使用软盘保存数据。除燃 烧特性以外，还可以对过渡工况瞬态性能进行在线或离线分析【m i 。 国外测试系统的引进激发了国内微机化检测设备的开发。基于进口设备 价格昂贵，并且处理软件固化，难以根据需要进行更改，国内许多单位也开 始自行研制开发了以通用微机为主机的燃烧分析系统。如浙江大学利用单板 微计算机开发的内燃机示功图测量处理系统l 、大连海运学院的d m c l 0 2 柴油机测量分析系统l l2 1 、上海内燃机研究所的e a s s 0 0 内燃机燃烧分析系统 l t 3 l 、华中理工大学的h g l 2 0 8 发动机分析仪【1 4 】、山东工业大学的d c a 1 内 燃机燃烧分析仪 1 5 】以及长沙科学仪器研究所的d f y 系列多通道发动机分析 仪等，还有其他一些单位如上海铁道学院等单位也先后研制开发了内燃机燃 烧分析系统。这些系统受当时微机内存、a d 转换速率等因素的制约，硬件 水平自然无法与进口的专用设备相抗衡，但在应用软件开发上各有特点，功 能上与进口产品类似，整个系统到也灵活实用，能满足一般放热规律研究的 需要。与进口设备相比，这些自行开发的仪器价格低廉，维修方便，更便于 普及。 1 3 内燃机瞬态参数采集系统的特点 由于存在循环变动，即使在稳定工况下，内燃机每转所经历的时间也有 所不同，因此，按时间历程进行分析，内燃机工作过程中有关热力参数为准 周期信号，而不是严格的周期信号。但是，安区并转角计，内燃机工作过程 可视为周期信号，如四冲程内燃机每7 2 0 。c a 为一个工作循环，他依次要经历 进气、压缩、膨胀、排气四个过程，尽管存在燃烧循环变动，但每个过程的 起始点与曲轴转角都有确定的对应关系。因此，按曲轴转角进行数据采集是 内燃机瞬态参数采集系统最明显的特征。 1 3 1 专用内燃机燃烧分析仪 日本小野公司于1 9 8 0 年研制出c b - - 3 6 6 ，之后又相继推出c b - - 4 6 6 、4 6 7 、 5 6 6 等产品。c b - - 4 6 6 是该公司当时推出的较成熟的产品，也是后继产品的 基础。其主要特点有： 7 山东大学硕士学位论文 1 可利用三种方式产生采样脉冲 包括转角信号发生器产生的脉冲、倍频电路生成的脉冲和内部时钟产生 的脉冲。角度信号发生器可产生7 2 0 p r 、3 6 0 p r 和1 p r 的脉冲。当使用1 p r 时，用1 4 4 0 倍频产生曲轴转角分辩率o 2 5 0 c a 得角标信号。按内部时钟采样 时，采样频率有2 5 0 k h z 、1 0 0 k h z 、5 0 k h z 、2 0 k h z 、1 0 k h z 、5 k h z 、2 k l - i z 、 1 k h z 八个档次。 2 具有较完善的处理功能 c b - - 4 6 6 具有四个方面2 5 个处理功能，这是其最大特点之一。c b - - 4 6 7 多同道发动机燃烧分析仪，除具有c b - - 4 6 6 的功能外，还增加了内置3 5 时 软盘驱动器，增加了g p - - i b 接口，可连接外部计算机或记录仪，另外开发有 c b - - 0 4 5 0 软件能对过渡工况燃烧过程进行逐循环分析，配有数字滤波软件和 双韦伯函数处理软件。 c b - - 5 6 6 称为发动机过渡过程燃烧特性分析仪，具备c b - - 4 6 7 的所有功 能，还具有大容量的存储器，能对每个循环做燃烧分析，可扩充为8 通道用 于低速采样。 从整体上来看，c b 系列产品的优点在于具有合理的角度分辨率，具有较 丰富的处理功能，能进行过渡过程燃烧分析。 奥地利a v l 公司的系列产品也是成熟的产品之一，主要特点是曲轴转角 分辨率选择范围大，有o 1 、o 2 、0 5 、1 2 0 c a 五个档次，并且可编制测量表 在不同时刻按不同分辨率采样；上止点的确定方法有两种，一是压力曲线法： 二是上止点传感器法；具有一个模拟示波器功能的软件，可实时观察各路信 号；主机板上带有1 m b y t e 到4 m b y t e 的存储器，配有3 5 时软盘；具有同 步采样功能。 1 3 2 基于通用微机系统的数据采集系统 美国p e i 公司利用通用微机和专用数据采集卡开发了d a b 5 0 0 、d a b 5 0 4 两个产品。该采集系统具有4 个模拟量通道，1 2 位a d 转换器，最高采样频 率是5 0 0 k h z 。d a b 5 0 4 是d a b 5 0 0 的改进产品，具有同步采样和各通道放大 倍数可独立编程调节的功能。数据采集卡不带存储器，利用d m a 方式直接 将数据存入计算机内存。受d o s 系统下内存管理的限制，一次采集的数据量 8 山东大学硕士学位论文 最大约3 8 0 k b y t e 左右。软件编写上有许多可取之处，每一个程序模块完成 + 个处理功能，不同程序模块共同使用同一格式的原始数据。 1 4 开发新型数据采集系统的必要性 提高我国内燃机测试水平不能仅依靠引进。进口的专用分析仪器价格昂 贵，不利于推广普及，而单纯仿造这些仪器又只能步外国人的后尘，很难跟 上时代的发展步伐。要提高我国内燃机燃烧分析技术的水平势必要立足于国 内开发。 在上个世纪8 0 年代，我国的微机应用技术，特别是硬件开发水平还不很 高，再加上资本主义国家在高速a d 芯片上对我国的封锁，数据采集系统多 采用中低速通用a d 转换板。这种直接插在计算机内置接口上的通用a d 板 不能进行多通道同步采样，它通过选择接通多路开关依次对各通道进行采保、 转换，不仅速度低，而且使各通道采集结果存在一定的时差。并且，受计算 机开关电源的影响，a d 转换精度也受到限制，使所开发的数据采集系统无 论在采集速度和精度上还是在使用功能上都无法与进口的专用设备相比拟， 所开发的燃烧分析系统仅适用于稳定工况的性能研究。而随着对内燃机过渡 工况性能研究的进一步深入【l s j ，过渡工况的数据采集等问题也越来越受到 重视，有必要开发出功能更强的数据采集系统。 自上世纪7 0 年代清华大学和大连工学院开始进行放热规律研究以来，各 研究单位在示功图分析方面取得了一系列进展，也需要开发一种开放型的数 据采集分析系统，以便能使这些科研成果得以推广应用。因此，为了进一步 提高我国内燃机燃烧分析技术的水平，开发一种更高档次的内燃机数据采集 分析系统是十分必要的。 1 5 对新型内燃机数据采集系统的要求 就发动机性能研究来说，近几年来，其瞬态性能日益受到重视，从而对 数据采集系统提出了新的要求： 1 采集系统应独立与主机系统 现在微机都采用w i n d o w s 操作系统，它在提供图形用户界面和事件驱动 的程序设计模式的同时，忽视了软件高效和实时的重要性，它的多任务工作 9 山东大学硕士学位论文 方式使得某项任务不可能独占系统的所有资源。在w i n d o w s 系统下进行数据 采集，一些诸如鼠标、时钟响应等过程，都会对数据采集过程产生影响，或 者影响采集速度，或者漏采部分数据。若关掉系统中断，则鼠标停止响应， 系统时钟也会停止计时。为此，采集系统应当能独立与主机系统，有独立的 c p u 和存储系统，根据主机的设置，自行完成数据采集工作。 2 设置稳态、瞬态两种模拟量输入通道 发动机数据采集系统需要采集的参数主要包括两类：种是不需要与曲 轴转角对应关系的稳态信号，主要包括发动机进气温度、机油压力和温度、 冷却水温度以及对工况监测用的排气温度。二是变化较快，与曲轴转角有很 严格的对应关系的瞬态信号，如气缸压力、高压油管压力、针阀升程、进排 气压力波动等。在过渡过程研究中，不但瞬态信号会发生变化，稳态参数也 会发生变化，因此，采集系统应当具有一定数量的瞬态量测试通道和稳态量 测试通道，在进行瞬态参数采集的同时，记录有关的稳态参数。 3 尽量高的采样速率 内燃机测试系统中，稳态量对采集速率的要求相对较低，但是诸如排气 温度之类的波动信号，只有用较高的速率进行采集并进行平均处理，才能得 到较稳定的数据。因此，即使测量稳态量，采样速率也不宜过低。而瞬态量 的采样速率要求比较高，要能满足高转速、高转角分辨率的测试要求，测试 系统必须有高速a d 转换器件，以保证较高的采样速率。 4 容量足够大的数据缓冲器 进行过渡过程数据采集，要求能够连续记录下整个过渡过程中的瞬态数 据。由于存在操作者动作和开始进行数据采集不同步的问题，数据采集过程 应当提前于操作者动作。为了保证获得完整的过渡过程变化历程，数据采集 结束点应迟于过渡过程结束点。这就要求测试系统有足够大的数据缓冲区， 缓冲器容量越大，则连续记录的循环数越多。存储器的容量应根据采样通道 数、转角分辨率和过渡过程所需循环数进行估算。 5 配置同步信号和转角信号调理电路 特定于内燃机工作过程，其各热力参数的变化都是以一定曲柄转角为周 期的周期信号，在内燃机试验研究中，需要测定的是内燃机运转过程中各热 力参数与曲柄转角之间的关系。因此，其采样过程不是以时间，而是以某一 1 0 山东大学硕士学位论文 曲柄转角为采样间隔进行的。 由于内燃机工作过程的不均匀性，在对内燃机稳定工况工作过程进行研 究时，除非一些特殊的研究项目，往往都要研究其统计规律，在进行数据采 集时也需要统计多循环的平均值。为了保证多循环采集结果的同步，每循环 的采集过程都以同步信号作为起始信号。 为兼顾一些非周期信号的采集，系统也应该具有按时间间隔进行采样的 功能。因此，采集系统应当即可由角标信号触发进行采样，也可按照时间间 隔进行采样。 研究目的和场合不同时，可能对曲轴转角分辨率要求不同，而角标信号 产生方式也可能不同，因此，采集系统应具有对输入的角标信号进行调理及 分频的功能。 6 各通道瞬态量采集应保证同步 在对过渡过程进行数据采集时，为了反映出各参数之问的相互关系及各 参数随时间的变化历程，应当保证各通道数据采集同步，既各通道采集结果 不能存在时差。即使在稳定工况，各通道同步进行数据采集也是必要的，如 研究分隔式内燃机主副室工作状态时的主副室压力之间，在用压力一升程法研 究喷油规律时的针阀升程和喷油压力之间都需要保证信号间的同步关系。 7 具有瞬时转速测量功能 在进行内燃机过渡过程分析时，需要有过渡过程中与所测参数相对应的 时间、曲柄转角及瞬时转速值作为参考。另外，瞬时转速也是内燃机性能研 究中的一个重要参数，通过瞬时转速还可以对内燃机瞬时摩擦、扭振等进行 研究。 对多缸机进行研究分析时，往往都是用一个缸作为研究对象，由于各缸 工作状态存在差异，一个缸的工作状况不能完全代表其他各缸的状况。利用 瞬时转速曲线可以推求燃烧膨胀过程中各缸间的气体压力差，诊断各缸的燃 烧差异。 1 6 开发新型内燃机数据采集系统的基础 1 6 1 丰富的软件资源 山东大学硕士学位论文 内燃机综合数据采集与分析系统希望能以一个开放型软件包的形式出 现，各种新技术都可以以功能模块的形式加入软件包，减少不必要的重复劳 动。因此，除了便于应用之外，便于软件修改、维护，便于进行二次开发也 是数采系统追求的目标之一。 w i n d o w s 有一致的用户界面，有菜单、对话框、列表框、滚动条、按钮 等用户界面元素，提供了设备无关的图形处理机制，不必详细了解运行所依 赖的硬件平台，就可以进行图形显示以及访问键盘、鼠标、打印机、系统时 钟等硬件。采用o l e 技术还可以很方便地与其他w i n d o w s 环境下的软件交换 数据。另外，w i n d o w s 有丰富的软件资源可供利用，这为内燃机测试仪器的 研制提供了良好的开发平台。 1 6 2 计算机应用技术的发展 微机应用技术的发展，为新型数据采集系统的开发奠定了坚实的物质基 础。现在的微机具有强大的数据处理、数据图形输出能力，设计专用的数据 采集系统进行数据采集，配以普通的微机系统进行数据处理和输出，其所能 实现的功能完全可以超过过去那些专有设备的功能。而大容量软驱、光驱的 出现，使得微机数据采集系统的数据存储及长期保存更加便利。微机体积较 小，价格低，便于现场测试，且其数据后处理及数据、曲线输出方便。可以 预见，随着微机档次的迅速提高，以微机为核心的数据采集分析系统势必将 更加令人青睐。 1 6 - 3 内燃机放热分析研究的知识积累 近些年来，国内外的内燃机工作者在内燃机示功图的采集、处理方面作 了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果，这些研究成果为新型内燃机 数据采集处理系统提供了理论基础。 上止点定位误差是影响放热率计算精度的重要因素，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。目前可用于数据采集系统 的确定内燃机上止点的方法有传感器法和以及热力学方法。热力学方法精度 较低，但它比较简单、更适于在数据采集系统中应用。现在常用的热力学方 1 2 山东大学硕士学位论文 法包括双拖示功图法和多变指数法等。 测压通道的通道效应也是影响示功图测量精度的一个重要因素，大量的 文献对测压通道的影响及修正方法进行了探讨“”“。将传感器与燃烧室壁面 平齐安装可避免通道效应，而在实际应用中受安装空间的限制和为避免传感 器热冲击的影响，总是会保留一段连接通道。盛宏至【2 9 】“f 3 1 1 把数字滤波理论及 数字信号处理理论这些技术应用到内燃机示功图处理方丽，利用同态信号处 理原理，对发动机示功图及通道效应的频率特性进行了理论分析，设计了三 种失真微小的频域数字滤波方法，并提出了用短通道隔离热冲击，保护传感 器，用数字滤波法将通道效应滤除的指导思想。 放热规律计算过去多用零维模型和准维模型和多维模型。由于计算机技 术的发展，建立多维燃烧模型，用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、 能量和化学组分的守恒方程组成为可能。文献。”提出了一种可用于燃烧率计 算的四区现象学燃烧模型，该模型对零维和多维模型作了较好的折衷，它较 多地考虑了与燃烧过程有关的因素，因此可以较好地用于直喷式柴油机燃烧 过程的研究。 1 7 本课题的研究内容 本课题拟利用现代微机应用技术，充分吸收内燃机燃烧放热分析技术的 最新研究成果，开发以独立的数据采集系统进行数据采集，利用通用微机进 行数据处理的新一代内燃机数据采集分析系统。 论文的具体研究内容如下： 1 针对内燃机测试的特点，分析内燃机综合数据采集系统应具有的功能、 特点，提出数据采集系统的开发思路。开发适用于内燃机数据采集的专用数 据采集系统，并进行数据采集系统的硬件开发。 2 结合虚拟测试技术，开发适宜于增添新功能及进行二次开发的开放型 软件系统，以利于及时将最新的研究成果付诸于应用。 3 对内燃机数据采集系统中存在的一些问题进行分析研究。 4 对示功图测压通道效应滤波方法进行了讨论，采用频域滤波方法进行了 滤波处理，讨论了滤波方法参数的选择，并对滤波结果进行了分析。 山东大学硕士学位论文 2 内燃机数据采集系统硬件设计 l 内容简介i - 本章介绍了内燃机数据采集的基本原理和方法。根据现代内燃机工作过程 研究需要采集系统具有能进行多通道高速同步采集，大数据量存储的特点，确定了h y l 数据采集系统的设计思想并详细说明了h y l 数据采集系统的硬件开发，对系统各部分电 路进行了分析。 2 1 内燃机瞬态参数采集原理 2 1 1 数字信号采集原理 计算机所擅长处理的是数字信号，或者 说是离散信号，即在时间上和幅度上都是离 散的信号。离散信号用离散时间的数字序列 表示，序列中第n 个数字记作工俐，全部序列 可写为： 石= x ( 胛) - o c n + o c ( 2 1 ) 只有序数h 等于整数时，x 才有一定的 数值。 数字信号可由时域连续信号( 称模拟信号) 采样而来，对模拟信号x 。( r ) 每隔一定时间t 采样一次，则可得到工。( o ) 、x a ( 丁) 、工。( 2 t ) 。 采样过程可视为用单位冲激脉冲序列占( n ) 对 原始信号的调制过程。 荆： o 篙 ( 2 z ， - 3 t 羽- t0t2 1 r3 1 r ( c ) 图2 1 连续信号的离敞i 螺 山东大学硕士学位论文 采样过程可描述如下： 假设有如图2 1 ( a ) 所示的原始模拟信号x a ( r ) ，对其进行等间隔采样，冲 激脉冲序列如图2 。1 ( b ) 所示，将周期性冲激函数记为： 玉( ，) = 一月力 ( 2 3 ) 式中：t 为采样周期，t = n t 时，万0 ) = 1 。 采样后的数据信号x ( r ) 可看成是模拟信号x a ( r ) 与函数占，( f ) 的乘积，即 x ( ，) = 扎( ，) - 艿，( ，) = x a ( r ) 占( 卜”砷 = k o 刁- n r ) ( 2 4 ) 得到的信号如图2 1 ( c ) 所示， 只有当t 为采样周期t 的整数倍时工( f ) 方 有数值。 2 1 2 内燃机数字信号采集 内燃机热力参数都是以一定曲柄 转角为周期的周期信号，在研究中， 要测这些参数与曲柄转角之间的关 系。因此，内燃机数字信号采集不是 以时间，而是以曲柄转角为采样间隔 进行的。 在采样过程中，与曲