專利名稱：發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對中低速發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)進行采集并利用得到缸壓數(shù)據(jù)進行燃燒分析的自動化系統(tǒng)。
背景技術：
電控發(fā)動機、新型燃料發(fā)動機和傳統(tǒng)發(fā)動機的設計、開發(fā)和改進都離不開對發(fā)動機燃燒過程的研究和分析，而缸內(nèi)燃燒壓力(示功圖)是表征發(fā)動機燃燒過程的重要性能參數(shù)(曲線)。因此，準確采集實時缸內(nèi)壓力信號，并做到有效的、準確地進行燃燒分析是對發(fā)動機燃燒過程研究的基礎和關鍵。
現(xiàn)有的對于發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的研究已經(jīng)比較成熟，但是多采用外部觸發(fā)的方式采集數(shù)據(jù)，需要角標儀等其他硬件設備支持，增加了系統(tǒng)的復雜程度，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還增加了系統(tǒng)的開發(fā)成本。在中國，對于發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的研究開發(fā)還處于初步階段，呈現(xiàn)出許多問題。燃燒分析系統(tǒng)多采用離線數(shù)據(jù)分析，實時在線分析性能差，延長了發(fā)動機的開發(fā)周期；燃燒分析系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號和上止點信號分別由各自的齒盤和傳感器觸發(fā)，使得系統(tǒng)硬件繁冗復雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低，開發(fā)成本居高不下；燃燒分析系統(tǒng)將需要分析的幾個常用性能參數(shù)封裝于燃燒模型中，分析結(jié)果參數(shù)固定單一，可選擇范圍小，而且每次數(shù)據(jù)分析都必須對所有的參數(shù)進行分析，同樣也浪費了系統(tǒng)資源。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)硬件繁冗復雜、穩(wěn)定性和可靠性差，開發(fā)成本高、分析結(jié)果參數(shù)固定單一、實時性能差等不足，本發(fā)明利用電子技術以及計算機技術，提供一種對中低速發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)進行采集并利用得到缸壓數(shù)據(jù)進行燃燒分析的自動化系統(tǒng)。
本發(fā)明所采用的技術方案是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由壓力傳感器、霍爾傳感器、上止點齒盤、信號放大器、接線端子板、數(shù)據(jù)采集卡和PC機電聯(lián)接而成。所采用的壓力傳感器型號為KISLER-6125，安裝于氣缸內(nèi)，壓力傳感器的正負極分別與型號為KISLER-5011的信號放大器的+輸入端和-輸入端相連接；上止點齒盤安裝于發(fā)動機曲軸上，霍爾傳感器與上止點齒盤垂直安裝，對準上止點齒盤的任意一個齒；信號放大器的+輸出端與霍爾傳感器的正極分別接入型號為研華PCLD-8710的接線端子板的通道1和通道2，信號放大器的-輸出端與霍爾傳感器的負極一同接入接線端子板的GND端，接線端子板通過數(shù)據(jù)線與型號為研華PCI-1711L的數(shù)據(jù)采集卡相連接。
上止點齒盤有6n+1個齒，n為正整數(shù)，分別是6n個均勻分布的齒和1個標定齒，這個標定齒的位置在第一缸上止點所對應的齒之前(30/n)°CA。
數(shù)據(jù)采集卡采用內(nèi)部觸發(fā)方式定時間采集數(shù)據(jù)，采用兩個通道采集數(shù)據(jù)，一個通道采集缸壓信號數(shù)據(jù)，另一個通道采集上止點信號數(shù)據(jù)。
安裝于PC機的數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)軟件由三個模塊組成數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、燃燒分析模塊。數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角的脈沖信號自動識別循環(huán)個數(shù)，根據(jù)需要采集的發(fā)動機工作循環(huán)個數(shù)將缸內(nèi)燃燒壓力信號和上止點信號數(shù)據(jù)配對并記錄保存，等待采集完所需要的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會自動停止保存，同時保存指示燈滅，采集工作結(jié)束，系統(tǒng)將發(fā)動機某一工況點的曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)配對好存入指定文件中。數(shù)據(jù)處理模塊選擇五點三次平滑法對缸壓數(shù)據(jù)進行光順(平滑)處理；對于某工況下采集到的多個循環(huán)氣缸壓力數(shù)據(jù)，采用求算術平均值的方法獲得代表該工況的示功圖。燃燒分析模塊以能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及理想氣體狀態(tài)方程把整個工作過程聯(lián)系起來，形成缸內(nèi)工作過程的燃燒分析模型，并分析計算出燃燒過程中的燃燒放熱率、放熱量和缸內(nèi)溫度等參數(shù)曲線；燃燒分析模塊顯示界面可以根據(jù)不同分析內(nèi)容輸出相應的分析結(jié)果曲線，并且可以直接讀出曲線峰值以及對應的曲軸轉(zhuǎn)角，還可以輸入某一曲軸轉(zhuǎn)角，查出曲線上對應點的數(shù)值，同時，分析計算結(jié)果的數(shù)據(jù)將保存在指定的文件中，以供進一步的離線分析處理使用。本系統(tǒng)軟件的燃燒分析模塊中，對不同性能參數(shù)分析分別封裝于獨立的功能模塊，用戶可以根據(jù)需要添加或刪除各個性能參數(shù)的分析功能模塊。
本發(fā)明所帶來的有益效果系統(tǒng)可以在線實時進行數(shù)據(jù)分析，實時性能強，縮短了發(fā)動機的開發(fā)周期；系統(tǒng)采用內(nèi)部觸發(fā)的方式采集數(shù)據(jù)，不需要角標儀等其他硬件設備支持，明顯降低了系統(tǒng)的復雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本；系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號和上止點信號由同一套齒盤和傳感器觸發(fā)，減輕了系統(tǒng)的硬件負擔，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提高，節(jié)約了開發(fā)成本；系統(tǒng)強不同性能參數(shù)分析分別封裝于獨立的功能模塊，用戶可以根據(jù)需要添加或刪除各個性能參數(shù)的分析功能模塊，分析結(jié)果參數(shù)靈活可變，可選擇范圍大，數(shù)據(jù)分析只對需要的參數(shù)進行分析，大大節(jié)省了系統(tǒng)資源。


圖1是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)結(jié)構示意圖。
圖2是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)燃燒分析模型的計算流程圖。
圖3是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集界面。數(shù)據(jù)采集界面能以曲線的形式實時顯示當前發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒壓力信號和上止點信號，通過數(shù)據(jù)采集界面可進行數(shù)據(jù)保存和啟動數(shù)據(jù)分析等操作。
圖4是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的參數(shù)設置界面。通過參數(shù)設置界面可以針對具體試驗要求設置試驗參數(shù)。
圖5是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的燃燒分析界面。通過燃燒分析界面可以根據(jù)不同分析內(nèi)容輸出相應的結(jié)果曲線，并且可以進行數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)保存等操作。
具體實施例方式
結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)的組成如圖1所示。該系統(tǒng)由壓力傳感器、霍爾傳感器、上止點齒盤、信號放大器、接線端子板、數(shù)據(jù)采集卡和PC機電聯(lián)接而成。所采用的壓力傳感器型號為KISLER-6125，安裝于氣缸內(nèi)，壓力傳感器的正負極分別與型號為KISLER-5011的信號放大器的+輸入端和-輸入端相連接；上止點齒盤安裝于發(fā)動機曲軸上，霍爾傳感器與上止點齒盤垂直安裝，對準上止點齒盤的任意一個齒；信號放大器的+輸出端與霍爾傳感器的正極分別接入型號為研華PCLD-8710的接線端子板的通道1和通道2，信號放大器的-輸出端與霍爾傳感器的負極一同接入接線端子板的GND端，接線端子板通過數(shù)據(jù)線與型號為研華PCI-1711L的數(shù)據(jù)采集卡相連接。
發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)通過安裝于氣缸內(nèi)的壓力傳感器產(chǎn)生缸壓信號。由于壓力傳感器采集到的缸壓信號是毫伏級的，所以必須經(jīng)過放大才能使用，系統(tǒng)采用型號為KISLER-5011的信號放大器將信號放大1000倍。
發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)分別通過上止點齒盤和霍爾傳感器產(chǎn)生上止點信號。上止點齒盤有6n+1(n為正整數(shù))個齒，分別是6n個均勻分布的齒和1個標定齒，這個標定齒的位置在第一缸上止點所對應的齒之前(30/n)°CA，用以識別第一缸的上止點信號；系統(tǒng)可以通過上止點信號計算出發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速，用戶可以根據(jù)精度需要確定n的取值，n越大，算出的轉(zhuǎn)速精度就越高，但對于中低速發(fā)動機來說，n≤20就足夠了。
數(shù)據(jù)采集卡的最高采樣率是100kHz，采用內(nèi)部觸發(fā)方式定時間采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡采用兩個通道采集數(shù)據(jù)，一個通道采集缸壓信號數(shù)據(jù)，另一個通道采集上止點信號數(shù)據(jù)，每個通道的采樣頻率為50kHz。以額定轉(zhuǎn)速為2200r/min的發(fā)動機為例，本系統(tǒng)最低采樣精度(發(fā)動機轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速2200r/min時)可達到0.264°CA，最高的采樣精度(發(fā)動機轉(zhuǎn)速為怠速800r/min時)可達到0.096°CA。因此，研華PCI-1711L數(shù)據(jù)采集卡的功能和性能能夠滿足標定系統(tǒng)要求。
發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)中，PC機上的缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與分析軟件采用LABVIEW 7.0作為開發(fā)軟件。系統(tǒng)軟件由三個模塊組成數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、燃燒分析模塊。
1.數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示(缸壓信號是第六缸缸壓，上止點信號是第一缸上止點)。數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角的脈沖信號自動識別循環(huán)個數(shù)，根據(jù)需要采集的發(fā)動機工作循環(huán)個數(shù)將缸內(nèi)燃燒壓力信號和上止點信號數(shù)據(jù)配對并記錄保存，等待采集完所需要的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會自動停止保存，同時保存指示燈滅，采集工作結(jié)束，系統(tǒng)將發(fā)動機某一工況點的曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)配對好存入指定文件中?！胺治鲇嬎恪卑粹o啟動調(diào)用燃燒分析模型，根據(jù)需要針對不同的熱力參數(shù)進行燃燒分析計算。
2.數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中，往往疊加有干擾，使得數(shù)據(jù)曲線有毛刺或呈折線狀。為了減弱干擾的影響，提高曲線的光滑度，常常需要對采樣數(shù)據(jù)進行光順(平滑)處理。五點三次平滑法直觀簡潔，運行快捷，而且平滑結(jié)果也能滿足要求，所以本發(fā)明采用五點三次平滑法對數(shù)據(jù)進行光順(平滑)處理。對于某工況下采集到的多個循環(huán)氣缸壓力數(shù)據(jù)，采用求算術平均值的方法獲得代表該工況的示功圖。
3.燃燒分析模塊1)參數(shù)設置系統(tǒng)參數(shù)設置界面如圖4所示。首先，通過參數(shù)設置可以根據(jù)具體要求設置參數(shù)，這些參數(shù)主要是用于燃燒分析中燃燒放熱量、燃燒放熱率以及缸內(nèi)溫度的計算，然后通過點擊界面上“缸壓”、“缸溫”、“放熱量”、“放熱率”的某一個按鈕啟動相對應的分析計算模塊，最終分析計算得出相應的曲線。
2)燃燒分析模型發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)燃燒分析模型的計算流程圖如圖2所示。熱力系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)由壓力p、溫度T、質(zhì)量m這三個基本參數(shù)所確定，并以能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及理想氣體狀態(tài)方程把整個工作過程聯(lián)系起來，形成缸內(nèi)工作過程的燃燒分析模型。
利用實測示功圖計算燃燒放熱率是根據(jù)氣缸內(nèi)的能量守恒方程進行計算的 上式的物理涵義是氣缸內(nèi)燃燒放熱率等于氣缸內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)能變化率、做工變化率以及散熱率的總和。
用差商代替微商，在步長Δ曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)有ΔQB＝ΔU+ΔW+ΔQω計算Δ步長內(nèi)的燃燒放熱量ΔQB，根據(jù)實測的p-示功圖及有關參數(shù)，分別算出內(nèi)能變化量ΔU、做功量ΔW和散熱量ΔQω。
工質(zhì)溫度按氣體狀態(tài)方程算出T=pVMR]]>運用迭代的方法最終計算得出瞬時燃燒放熱率 燃油燃燒放熱量QBi和缸內(nèi)充量溫度Ti等所需的熱力學參數(shù)。
3)燃燒分析界面系統(tǒng)燃燒分析界面如圖5所示。當通過數(shù)據(jù)采集界面啟動某一分析計算模塊后，系統(tǒng)就會自動彈出系統(tǒng)燃燒分析界面。在燃燒分析界面上，系統(tǒng)根據(jù)不同分析內(nèi)容輸出相應的分析結(jié)果曲線，而且直接讀出曲線峰值以及對應的曲軸轉(zhuǎn)角，還可以輸入某一曲軸轉(zhuǎn)角，查出曲線上對應點的數(shù)值。同時，分析計算結(jié)果的數(shù)據(jù)將保存在指定的文件中，以供進一步的離線分析處理使用。
權利要求
1.發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓力傳感器、霍爾傳感器、上止點齒盤、信號放大器、接線端子板、數(shù)據(jù)采集卡和PC機所組成，其特征在于，所采用的壓力傳感器型號為KISLER-6125，安裝于氣缸內(nèi)，壓力傳感器的正負極分別與型號為KISLER-5011的信號放大器的+輸入端和-輸入端相連接；上止點齒盤安裝于發(fā)動機曲軸上，霍爾傳感器與上止點齒盤垂直安裝，對準上止點齒盤的任意一個齒；信號放大器的+輸出端與霍爾傳感器的正極分別接入型號為研華PCLD-8710的接線端子板的通道1和通道2，信號放大器的-輸出端與霍爾傳感器的負極一同接入接線端子板的GND端，接線端子板通過數(shù)據(jù)線與型號為研華PCI-1711L的數(shù)據(jù)采集卡相連接；其中，數(shù)據(jù)采集卡采用內(nèi)部觸發(fā)方式定時間采集數(shù)據(jù)，采用兩個通道采集數(shù)據(jù)，一個通道采集缸壓信號數(shù)據(jù)，另一個通道采集上止點信號數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1中所述的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)，其特征在于，通過上止點齒盤和霍爾傳感器產(chǎn)生上止點信號；上止點齒盤有6n+1個齒，n為正整數(shù)，分別是6n個均勻分布的齒和1個標定齒，這個標定齒的位置在第一缸上止點所對應的齒之前(30/n)°CA，用以識別第一缸的上止點信號；系統(tǒng)采集到的上止點信號用于計算曲軸轉(zhuǎn)角，同時通過求兩個上止點信號之間時間的倒數(shù)計算出發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速，n≤20。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于對中低速發(fā)動機缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)進行采集與分析自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)由壓力傳感器、霍爾傳感器、上止點齒盤、信號放大器、接線端子板、數(shù)據(jù)采集卡和PC機電聯(lián)接而成。該系統(tǒng)將壓力傳感器采集到的缸內(nèi)燃燒壓力信號經(jīng)過信號放大器將缸壓信號放大之后，與通過霍爾傳感器采集到的上止點信號一起接入接線端子板，然后通過高速采集卡將信號采集到PC機，安裝于PC機的數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)軟件對采集到的信號波形進行顯示，并分析計算出燃燒過程中的燃燒放熱率、放熱量和缸內(nèi)溫度等參數(shù)曲線。
文檔編號G05B15/02GK1821907SQ20061005713
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月10日 優(yōu)先權日2006年3月10日
發(fā)明者張欣, 蘆暢, 李從心, 孟金喆 申請人:北京交通大學