CN100440085C - 发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于对中低速发动机缸内燃烧压力数据进行采集与分析自动化系统。该系统由压力传感器、霍尔传感器、上止点齿盘、信号放大器、接线端子板、数据采集卡和PC机电联接而成。该系统将压力传感器采集到的缸内燃烧压力信号经过信号放大器将缸压信号放大之后，与通过霍尔传感器采集到的上止点信号一起接入接线端子板，然后通过高速采集卡将信号采集到PC机，安装于PC机的数据采集与燃烧分析系统软件对采集到的信号波形进行显示，并分析计算出燃烧过程中的燃烧放热率、放热量和缸内温度等参数曲线。

Description

发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统

技术领域

本发明涉及一种对中低速发动机缸内燃烧压力数据进行采集并利用得到缸压数据进行 燃烧分析的自动化系统。

背景技术

电控发动机、新型燃料发动机和传统发动机的设计、开发和改进都离不开对发动机燃烧 过程的研究和分析，而缸内燃烧压力（示功图）是表征发动机燃烧过程的重要性能参数（曲 线）。因此，准确采集实时缸内压力信号，并做到有效的、准确地进行燃烧分析是对发动机 燃烧过程研究的基础和关键。

现有的对于发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统的研究已经比较成熟，但是多 采用外部触发的方式采集数据，需要角标仪等其他硬件设备支持，增加了系统的复杂程度， 降低了系统的稳定性和可靠性，还增加了系统的开发成本。在中国，对于发动机缸内燃烧压 力数据采集与燃烧分析系统的研究开发还处于初步阶段，呈现出许多问题。燃烧分析系统多 采用离线数据分析，实时在线分析性能差，延长了发动机的开发周期；燃烧分析系统的转速 信号和上止点信号分别由各自的齿盘和传感器触发，使得系统硬件繁冗复杂，系统的稳定性 和可靠性降低，开发成本居高不下；燃烧分析系统将需要分析的几个常用性能参数封装于燃 烧模型中，分析结果参数固定单一，可选择范围小，而且每次数据分析都必须对所有的参数 进行分析，同样也浪费了系统资源。

发明内容

为了克服现有的发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统硬件繁冗复杂、稳定性和 可靠性差，开发成本高、分析结果参数固定单一、实时性能差等不足，本发明利用电子技术 以及计算机技术，提供一种对中低速发动机缸内燃烧压力数据进行采集并利用得到缸压数据 进行燃烧分析的自动化系统。

本发明所采用的技术方案是：发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统。该系统由 压力传感器、霍尔传感器、上止点齿盘、信号放大器、接线端子板、数据采集卡和PC机电

联接而成。所采用的压力传感器型号为KISLER-6125，安装于气缸内，压力传感器的正负极分别与型号为KISLER-5011的信号放大器的+输入端和-输入端相连接；上止点齿盘安装于

发动机曲轴上，霍尔传感器与上止点齿盘垂直安装，对准上止点齿盘的任意一个齿；信号放

大器的+输出端与霍尔传感器的正极分别接入型号为研华PCLD-8710的接线端子板的通道1 和通道2，信号放大器的-输出端与霍尔传感器的负极一同接入接线端子板的GND端，接线 端子板通过数据线与型号为研华PCI-1711L的数据采集卡相连接。

上止点齿盘有6n+l个齿，n为正整数，分别是6n个均匀分布的齿和1个标定齿，这个 标定齿的位置在第一缸上止点所对应的齿之前(30/n)。。

数据采集卡采用内部触发方式定时间采集数据，采用两个通道采集数据， 一个通道采集 缸压信号数据，另一个通道采集上止点信号数据。

安装于PC机的数据采集与燃烧分析系统软件由三个模块组成：数据采集模块、数据处 理模块、燃烧分析模块。数据采集模块根据曲轴转角的脉冲信号自动识别循环个数，根据需 要采集的发动机工作循环个数将缸内燃烧压力信号和上止点信号数据配对并记录保存，等待 采集完所需要的数据时，系统会自动停止保存，同时保存指示灯灭，采集工作结束，系统将 发动机某一工况点的曲轴转角数据、压力数据配对好存入指定文件中。数据处理模块选择五 点三次平滑法对缸压数据进行光顺（平滑）处理；对于某工况下采集到的多个循环气缸压力 数据，采用求算术平均值的方法获得代表该工况的示功图。燃烧分析模块以能量守恒方程、 质量守恒方程及理想气体状态方程把整个工作过程联系起来，形成缸内工作过程的燃烧分析 模型，并分析计算出燃烧过程中的燃烧放热率、放热量和缸内温度等参数曲线；燃烧分析模 块显示界面可以根据不同分析内容输出相应的分析结果曲线，并且可以直接读出曲线峰值以 及对应的曲轴转角，还可以输入某一曲轴转角，査出曲线上对应点的数值，同时，分析计算 结果的数据将保存在指定的文件中，以供进一步的离线分析处理使用。本系统软件的燃烧分 析模块中，对不同性能参数分析分别封装于独立的功能模块，用户可以根据需要添加或删除 各个性能参数的分析功能模块。

本发明所带来的有益效果：系统可以在线实时进行数据分析，实时性能强，縮短了发动 机的开发周期；系统采用内部触发的方式采集数据，不需要角标仪等其他硬件设备支持，明 显降低了系统的复杂程度，提高了系统的稳定性和可靠性，大大降低了系统的开发成本；系 统的转速信号和上止点信号由同一套齿盘和传感器触发，减轻了系统的硬件负担，系统的稳 定性和可靠性提高，节约了开发成本；系统强不同性能参数分析分别封装于独立的功能模块， 用户可以根据需要添加或删除各个性能参数的分析功能模块，分析结果参数灵活可变，可选 择范围大，数据分析只对需要的参数进行分析，大大节省了系统资源。附图说明

图1是发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统结构示意图。

图2是发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统燃烧分析模型的计算流程图。

图3是发动机缸内燃烧压力数据釆集与燃烧分析系统的数据采集界面。数据釆集界面能

以曲线的形式实时显示当前发动机的缸内燃烧压力信号和上止点信号，通过数据采集界面可 .进行数据保存和启动数据分析等操作。

图4是发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统的参数设置界面。通过参数设置界

面可以针对具体试验要求设置试验参数。

图5是发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统的燃烧分析界面。通过燃烧分析界

面可以根据不同分析内容输出相应的结果曲线，并且可以进行数据査询和数据保存等操作。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明-

发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统的组成如图1所示。该系统由压力传感 器、霍尔传感器、上止点齿盘、信号放大器、接线端子板、数据采集卡和PC机电联接而成。 所采用的压力传感器型号为KISLER-6125，安装于气缸内，压力传感器的正负极分别与型号 为KISLER-5011的信号放大器的+输入端和-输入端相连接；上止点齿盘安装于发动机曲轴 上，霍尔传感器与上止点齿盘垂直安装，对准上止点齿盘的任意一个齿；信号放大器的+输 出端与霍尔传感器的正极分别接入型号为研华PCLD-8710的接线端子板的通道1和通道2， 信号放大器的-输出端与霍尔传感器的负极一同接入接线端子板的GND端，接线端子板通过 数据线与型号为研华PCI-1711L的数据采集卡相连接。

发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统通过安装于气缸内的压力传感器产生缸 压信号。由于压力传感器采集到的缸压信号是毫伏级的，所以必须经过放大才能使用，系统 采用型号为KISLER-5011的信号放大器将信号放大1000倍。

发动机缸内燃烧压力数据釆集与燃烧分析系统分别通过上止点齿盘和霍尔传感器产生 上止点信号。上止点齿盘有6n+l (n为正整数）个齿，分别是6n个均匀分布的齿和l个标 定齿，这个标定齿的位置在第一缸上止点所对应的齿之前(30/nO"C4 ，用以识别第一缸的上 止点信号；系统可以通过上止点信号计算出发动机的瞬时转速，用户可以根据精度需要确定 n的取值，n越大，算出的转速精度就越高，但对于中低速发动机来说，nS20就足够了。

数据釆集卡的最高采样率是100kHz，采用内部触发方式定时间采集数据。数据釆集卡采用两个通道采集数据， 一个通道采集缸压信号数据，另一个通道釆集上止点信号数据，每 个通道的采样频率为50kHz。以额定转速为2200r/min的发动机为例，本系统最低采样精度 (发动机转速为最高转速2200r/min时）可达到0.264。C4，最高的采样精度（发动机转速为 怠速800r/min时）可达到0.096。C4 。因此，研华PCI-1711L数据采集卡的功能和性能能够 满足标定系统要求。

发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统中，PC机上的缸内燃烧压力数据采集与 分析软件采用LABV正W7.0作为开发软件。系统软件由三个模块组成：数据采集模块、数 据处理模块、燃烧分析模块。

1. 数据采集模块

系统数据釆集界面如图3所示（缸压信号是第六缸缸压，上止点信号是第一缸上止点）。 数据采集模块根据曲轴转角的脉冲信号自动识别循环个数，根据需要采集的发动机工作循环 个数将缸内燃烧压力信号和上止点信号数据配对并记录保存，等待采集完所需要的数据时， 系统会自动停止保存，同时保存指示灯灭，采集工作结束，系统将发动机某一工况点的曲轴 转角数据、压力数据配对好存入指定文件中。"分析计算"按钮启动调用燃烧分析模型， 根据需要针对不同的热力参数进行燃烧分析计算。2. 数据处理模块

数据采集系统采集到的数据中，往往叠加有干扰，使得数据曲线有毛刺或呈折线状。为 了减弱干扰的影响，提高曲线的光滑度，常常需要对采样数据进行光顺（平滑）处理。五点 三次平滑法直观简洁，运行快捷，而且平滑结果也能满足要求，所以本发明采用五点三次平 滑法对数据进行光顺（平滑）处理。对于某工况下采集到的多个循环气缸压力数据，采用求 算术平均值的方法获得代表该工况的示功图。

3. 燃烧分析模块

1) 参数设置

系统参数设置界面如图4所示。首先，通过参数设置可以根据具体要求设置参数，这些 参数主要是用于燃烧分析中燃烧放热量、燃烧放热率以及缸内温度的计算，然后通过点击界 面上"缸压"、"缸温"、"放热量"、"放热率"的某一个按钮启动相对应的分析计算模块，最 终分析计算得出相应的曲线。

2) 燃烧分析模型

发动机缸内燃烧压力数据釆集与燃烧分析系统燃烧分析模型的计算流程图如图2所示。 热力系统内工质状态由压力P、温度r、质量w这三个基本参数所确定，并以能量守恒方程、质量守恒方程及理想气体状态方程把整个工作过程联系起来，形成缸内工作过程的燃烧分析模型。

利用实测示功图计算燃烧放热率是根据气缸内的能量守恒方程进行计算的： 私 ^ •<formula>formula see original document page 8</formula>

却 却 c/炉 却

上式的物理涵义是：气缸内燃烧放热率等于气缸内工质的内能变化率、做工变化率以及 散热率的总和。

用差商代替微商，在步长Ap曲轴转角内有：

计算Ap步长内的燃烧放热量A"，根据实测的p-炉示功图及有关参数，分别算出内能 变化量At/ 、做功量AW和散热量A^ 。

工质温度按气体状态方程算出：

—P「 雄

运用迭代的方法最终计算得出：瞬时燃烧放热率%、燃油燃烧放热量",和缸内充量

却

温度j;等所需的热力学参数。 3)燃烧分析界面

系统燃烧分析界面如图5所示。当通过数据采集界面启动某一分析计算模块后，系统就 会自动弹出系统燃烧分析界面。在燃烧分析界面上，系统根据不同分析内容输出相应的分析 结果曲线，而且直接读出曲线峰值以及对应的曲轴转角，还可以输入某一曲轴转角，查出曲 线上对应点的数值。同时，分析计算结果的数据将保存在指定的文件中，以供进一步的离线 分析处理使用。

Claims (2)

1.发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系统，该系统包括压力传感器、霍尔传感器、上止点齿盘、信号放大器、接线端子板、数据采集卡和PC机，安装于PC机的系统软件包括有数据采集模块、数据处理模块、燃烧分析模块，其特征在于，所采用的压力传感器型号为KISLER-6125，安装于气缸内，压力传感器的正负极分别与型号为KISLER-5011的信号放大器的+输入端和-输入端相连接；上止点齿盘安装于发动机曲轴上，霍尔传感器与上止点齿盘垂直安装，对准上止点齿盘的任意一个齿；信号放大器的+输出端与霍尔传感器的正极分别接入型号为研华PCLD-8710的接线端子板的通道1和通道2，信号放大器的-输出端与霍尔传感器的负极一同接入接线端子板的GND端，接线端子板通过数据线与型号为研华PCI-1711L的数据采集卡相连接；其中，数据采集卡采用内部触发方式定时间采集数据，采用两个通道采集数据，一个通道采集缸压信号数据，另一个通道采集上止点信号数据； 数据采集模块根据曲轴转角的脉冲信号自动识别循环个数，根据需要采集的发动机工作循环个数将缸内燃烧压力信号和上止点信号数据配对并记录保存，等待采集完所需要的数据时，系统会自动停止保存，同时保存指示灯灭，采集工作结束，系统将发动机某一工况点的曲轴转角数据、压力数据配对好存入指定文件中； 数据处理模块选择五点三次平滑法对缸压数据进行光顺处理；对于某工况下采集到的多个循环气缸压力数据，采用求算术平均值的方法获得代表该工况的示功图； 燃烧分析模块以能量守恒方程、质量守恒方程及理想气体状态方程把整个工作过程联系起来，形成缸内工作过程的燃烧分析模型，并分析计算出燃烧过程中的燃烧放热率、放热量和缸内温度参数曲线；燃烧分析模块显示界面根据不同分析内容输出相应的分析结果曲线，读出曲线峰值以及对应的曲轴转角，可以输入某一曲轴转角，查出曲线上对应点的数值，同时，分析计算结果的数据保存在指定的文件中，以供进一步的离线分析处理使用，燃烧分析模块中，根据需要添加或删除对不同性能参数分析而分别封装于独立的分析功能模块。

2.根据权利要求1中所述的发动机缸内燃烧压力数据采集与燃烧分析系 统，其特征在于，通过上止点齿盘和霍尔传感器产生上止点信号；上止点齿盘 有6n+l个齿，n为正整数，分别是6n个均匀分布的齿和1个标定齿，这个标 定齿的位置在第一缸上止点所对应的齿之前（30/n) "C4,用以识别第一缸的上 止点信号；系统采集到的上止点信号用于计算曲轴转角，同时通过求两个上止 点信号之间时间的倒数计算出发动机的瞬时转速，n《20。

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