CN102072064B - 发动机供油提前角测量系统的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的发动机供油提前角测量系统，所述测量系统包括转速传感器、油压传感器、信号处理模块和微处理单元，所述转速传感器和油压传感器的输出端均与信号处理模块的输入端相连接，所述信号处理模块的输出端与微处理单元的输入端口相连接。本发明的测量方法包括：（2）油压和转速信号测量；（3）找同步点；（4）求取最低点和开始点；（6）求夹角；（8）求供油提前角。本发明的测量系统通过转速信号和压力信号实现了对供油提前角的准确测量；本系统还可实现柴油机无外载测功和各缸均匀性等的检测。本发明的测量方法，利用瞬时转速的最低点来求取活塞压缩的上止点，并通过转速信号和压力信号来求取供油提前角，实现了对供油提前角的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机供油提前角测量系统及测量方法，更具体的说，尤其涉及一种设置有油压传感器和转速传感器的发动机供油提前角测量系统，以及利用转速的最低点来求取活塞的上止点并采用油压信号和转速信号对提前角进行运算的发动机供油提前角测量方法。
背景技术
柴油机在国民经济和日常生活中起着举足轻重的作用，由于各部件运动复杂、工作环境恶劣等，易发生各种故障，直接或间接地造成巨大的经济损失。
供油提前角是指喷油泵柱塞开始关闭进、回油孔的时刻到活塞到达柴油机上止点所经历的曲轴转角。柴油机的供油提前角是柴油机供油燃烧系统的重要参数，主要影响发动机经济性、动力性、排放性。供油提前角过大，这不仅增加压缩负功使燃油消耗率增高、功率下降，且工作粗暴，怠速不良，难于启动，易形成碳烟；供油提前角过小，则燃油消耗率和排气温度增高，发动机过热，起动时易出现冒白烟现象。不同发动机不同工况，供油提前角应有相应合适的值，因此，实现供油提前角快速准确测量更为重要。目前生产维护中普遍采用溢油法、闪光法、振动法等检测供油提前角，存在误差较大、无法动态测量或汽车在线检测不便等缺点。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种设置有油压传感器和转速传感器的发动机供油提前角测量系统。
本发明的发动机供油提前角测量系统，所述发动机包括供油管和固定于输出轴上的齿圈，其特别之处在于：所述测量系统包括用于测量齿圈转速的转速传感器、用于测量供油管压力的油压传感器、信号处理模块和微处理单元，所述转速传感器和油压传感器的输出端均与信号处理模块的输 入端相连接，所述信号处理模块的输出端与微处理单元的输入端口相连接。转速传感器通过与齿圈的配合，可实现对输出轴转速的测量；油压传感器通过与供油管相配合，可实现对供油管压力的测量，以便准确测出供油时间段的波形；信号处理模块用于对供油管压力信号和齿圈转速信号进行滤波放大等处理，以便输入到微处理单元中进行运算和处理。
本发明的发动机供油提前角测量系统，包括与微处理单元相连接的用于显示数据的显示器以及进行数据存储的存储器，所述微处理单元通过通讯接口与PC机相连接。显示器可以进行运算结果的显示，以便使用者进行相应数据的读取；存储器用于对数据的存储。通过微处理器与PC机的连接，可以把本发明的测量系统测得的数据上传给PC机。
本发明的发动机供油提前角测量系统，所述转速传感器和油压传感器分别为磁电转速传感器和夹持式油压传感器。磁电转速传感器可实现非接触精准的转速测量，夹持式油压传感器安装使用方便，便于快速测量。
本发明的发动机供油提前角测量系统，所述转速传感器输出的转速信号经运算放大器放大后再经逻辑运算；所述油压传感器输出的油压信号经过两级运算放大器滤波放大。把转速信号经运算放大后再进行逻辑运算，实现了把转速信号转化为单片机易于测取的方波信号，实现了对瞬时转速的准确性和实时性测量。
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种采用油压信号和转速信号对提前角进行运算且利用转速的最低点来求取活塞的上止点的发动机供油提前角测量方法。
本发明的发动机供油提前角测量方法，不妨设齿圈的齿数为N，供油提前角为采用中断的方式对齿圈的转速信号进行测量，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取最大油压信号值，在发动机的一个工作循环内，对油压信号用周期为T的采样信号进行采集，并记录每次取得的压力值pn，设最大值为Pmax，设压力值pn所对应的信号采集时间为Tn；(2)油压和转速信号测量，在下一个循环内，在对油压信号测量的同时也对转速信号进行测量，并记录油压信号和转速信号，设相应齿的瞬时转速为vn；(3)找同 步点，将油压信号与xPmax相比较，如果出现pn＜xPmax＜pn+1，则根据pn、xPmax和pn+1的数值利用插值法计算出xPmax在该工作循环内发生的时间点，设该时间点为同步点T′；如果出现pm＝xPmax，则同步点T′＝Tm，其中0＜x＜1；(4)求取最低点和开始点，利用数据拟合算法求出瞬时转速波形的最低点，设最低点所对应的时间为t′；利用插值法可以求得供油管供油的开始时间，设为T0；(5)设定参量，设从T0到T′时间段内，齿圈所转过的整齿为m1个；从T′到t′时间段内，齿圈所转过的整齿为m2个；(6)求夹角，当m1≠0时，利用插值法计算出T0和T′分别到m1个齿中第一个齿时和最后一个齿时齿圈所转过的角度，分别记为和当m1＝0时，利用插值法计算出从T0到T′时间段内齿圈所转过的角度，设为(7)求夹角，利用插值法计算出T′和t′分别到m2个齿中第一个齿时和最后一个齿时齿圈所转过的角度，分别记为 和(8)求供油提前角，利用以下公式计算出供油提前角为
当m1≠0时；
当m1＝0时。
所述步骤(1)是为了实现对供油管最大压力值的测量，以便为下一个工作循环中设定xPmax提供数据参考；步骤(4)中，瞬时转速波形的最低点即可认为是发动机压缩的上止点。
本发明的发动机供油提前角测量方法，步骤(3)中所述的同步时间点算法和步骤(4)中所述的最低点时间算法分别采用二次或二次以上的插值算法和二次或二次以上的数据拟合算法；所述和计算的过程中采用一次或一次以上的插值算法。采用次数较高的插值算法和拟合算法，有利于保证较高的精确度，但运算复杂；采用次数较低的插值算法有利于降低微处理单元的运算量，提高运算速度。
本发明的发动机供油提前角测量方法，步骤(2)中所述的转速信号测量中，包括根据齿圈的齿数和发动机缸数利用傅里叶级数法设计的非递推低通数字滤波器对其进行数字滤波。通过非递推低通数字滤波器的滤波可有效的去除毛刺等干扰。
进一步地，在油压信号测量的过程中，拧松与所述被测供油管相连的喷油嘴，使燃料不喷入缸内。即在对某一个气缸测量的过程中，使其不做功，有利于测量结果的准确性。
本发明的有益效果是：本发明的发动机供油提前角测量系统，设置有转速传感器、油压传感器、信号处理模块和微处理单元，通过转速信号和压力信号实现了对供油提前角的准确测量；本发明中的油压传感器可以采用夹持式油压传感器，使得传感器的安装和检测更加方便，在降低了传感器成本的同时且使得检测不受环境影响。
本发明的发动机供油提前角测量方法，利用瞬时转速的最低点来求取活塞压缩的上止点，并通过转速信号和压力信号来求取供油提前角，实现了对供油提前角的准确测量；采用同步点T′作为中间点对供油提前角进行计算，使得本发明的测量方法更加简洁和准确。
附图说明
图1为本发明的发动机供油提前角测量系统的结构示意图；
图2为本发明的发动机供油提前角测量系统的原理图；
图3为本发明的信号处理模块的原理图；
图4为柴油机气缸压力、瞬时转速和曲柄转角的关系图；
图5为油压传感器测得的供油管的压力原始信号示意图；
图6为经信号处理模块处理后的供油管压力信号示意图；
图7为油压信号与转速信号关系示意图。
图中：1转速传感器，2齿圈，3供油管，4油压传感器，5信号处理模块，6微处理单元，7 PC机，8显示器，9存储器，10通讯接口，11串接式油压信号，12夹持式油压信号，13转速波形，14供油波形，15瞬时转速波形，16气缸压力波形。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
首先，结合图4，以柴油机气缸压力、瞬时转速和曲柄转角的关系图为例阐述瞬时转速最低点与活塞上止点的关系。由所示的瞬时转速波形15和 气缸压力波形16可以看出，当一缸的活塞运行至压缩上止点附近时，二、三、四缸的活塞将分别行至膨胀下止点、进气下止点、排气上止点附近，因为这时作用在活塞上的气体压力很小，这些缸作用在曲轴上的力矩之和也就可以忽略不计。因此，在一缸压缩上止点附近，作用在曲轴上的扭矩主要是由一缸的气体压力产生的。在上止点前，气缸压力产生的扭矩与曲柄旋转方向相反，造成瞬时转速降低，在上止点后，气缸压力产生的扭矩与曲柄旋转方向相同，又促使瞬时转速增加，如果不存在摩擦，瞬时转速的最低点必将出现在上止点处，这就是利用瞬时转速确定上止点的理论基础。
如图1和图2所示，分别给出了本发明的发动机供油提前角测量系统的结构示意图和原理图，其包括转速传感器1、油压传感器4、信号处理模块5、微处理单元6、PC机7、显示器8、存储器9、通讯接口10，所示的发动机包括供油管3和飞轮齿圈2，所示的转速传感器1为磁电转速传感器且可实现对齿圈2的非接触式测量；油压传感器4为夹持式油压传感器，在使用的过程中可实现对供油管3中油压信号的测量，其安装和使用十分方便。信号处理模块5用于实现油压信号和转速信号的放大和处理，以便把转化后的信号输入到微处理单元6中，如图3所示，给出了信号处理模块5的原理图，由转速传感器1输出的转速信号经过运算放大器放大后，再经由与门进行运算，以便转化为微处理单元6易于测取的方波电平信号，将处理后的转速信号送入微处理单元6的中断接口；油压传感器4输出的油压信号输出的油压信号经过两个运算放大器进行两级信号放大，并在第一级运算放大器和第二级运算放大器之间设置耦合电容C1，电容C2用于对油压信号进行滤波，最后输入到微处理单元6的A/D模块接口，以便微处理单元6对油压信号进行转化和运算。微处理单元6可以采用单片机，实现数据的运算和与上位PC机的通讯，而且成本较低。显示器8用于对运算结构进行显示，以便检测人员对数据进行观察；存储器9可以实现中间数据和结果数据的存储，微处理单元6通过通讯接口10可实现与PC机7的通讯，以便本发明的测量系统可以把测得的数据上传给PC机。
图5给出了供油管压力的原始信号的示意图，其包括许多高频干扰信号，图6给出了经过信号处理模块5处理后的油压信号示意图以及采用串接油压传感器测得的油压信号的示意图，对图5和图6进行比较，可见经过信号处理模块5处理后的油压信号幅值大、干扰小且便于采样。对图5中串接式油压信号11和夹持式油压信号12进行对比，可见夹持式油压传感器可以获得准确真实的油压信号。由此可见，采用本发动机供油提前角测量系统可以获得准确的测量结果，经过大量实验证明，测量精度在±0.5℃A。
本发明的发动机供油提前角测量系统在使用的过程中，应注意夹持式油压传感器安装于发动机待测缸的供油管上、磁电转速传感器安装于飞轮齿圈处；拧松待测气缸的喷油嘴，以便使柴油不喷入缸内；连接并检测完系统后，在启动系统；再启动发动机即可得到当前缸发动机供油提前角值。检测完成后，拧紧已松喷油嘴即可。
本发明的发动机供油提前角测量系统，还可实现对发动机各种性能参数的检测，利用磁电转速传感器1和夹持式油压传感器4得到转速信号和油压信号，由信号处理模块处理5后可得到柴油机瞬时转速图谱和供油波形，经过微处理单元处理运算后可实现柴油机转速、无外载测功、起动性能、加速性能、调速性能、各缸密封性及工作均匀性的检测，并可实现检测结果的实时显示、存储和通讯等。该系统具有精确度高、安装方便、扩展性强等优点，可应用于实验、现场检测及汽车发动机动态检测等，满足科研、教学和生产、维修各部门的需要。
下面结合图7说明本发明的发动机供油提前角测量方法。
不妨设齿圈的齿数为N，供油提前角为其特别之处在于，包括以下步骤：
(1)获取最大油压信号值，在发动机的一个工作循环内，对油压信号用周期为T的采样信号进行采集，并记录每次取得的压力值pn，设最大值为Pmax，设压力值pn所对应的信号采集时间为Tn；
(2)油压和转速信号测量，在下一个循环内，在对油压信号测量的同时也对转速信号进行测量，并记录油压信号和转速信号，设相应齿的瞬时转速为vn；
(3)找同步点，将油压信号与xPmax相比较，如果出现pn＜xPmax＜pn+1，则根据pn、xPmax和pn+1的数值利用插值法计算出xPmax在该工作循环内发生的时间点，设该时间点为同步点T′；如果出现pm＝xPmax，则同步点T′＝Tm，其中0＜x＜1；
(4)求取最低点和开始点，利用数据拟合算法求出瞬时转速波形的最低点，设最低点所对应的时间为t′；利用插值法可以求得供油管供油的开始时间，设为T0；
(5)设定参量，设从T0到T′时间段内，齿圈所转过的整齿为m1个；从T′到t′时间段内，齿圈所转过的整齿为m2个；
(6)求夹角，当m1≠0时，利用插值法计算出T0和T′分别到m1个齿中第一个齿时和最后一个齿时齿圈所转过的角度，分别记为和当m1＝0时，利用插值法计算出从T0到T′时间段内齿圈所转过的角度，设为
(7)求夹角，利用插值法计算出T′和t′分别到m2个齿中第一个齿时和最后一个齿时齿圈所转过的角度，分别记为和
(8)求供油提前角，利用以下公式计算出供油提前角为
当m1≠0时；
当m1＝0时。
进一步地，为了保证获得较为精确的测量数据，步骤(3)中所述的同步时间点算法和步骤(4)中所述的最低点时间算法分别采用二次或二次以上的插值算法和二次或二次以上的数据拟合算法；所述和计算的过程中采用一次或一次以上的插值算法。步骤(2)中所述的转速信号测量中，包括根据齿圈的齿数和发动机缸数利用傅里叶级数法设计的非递推低通数字滤波器对其进行数字滤波。
在微处理器采用带有A/D转换模块和中断接口的处理器时，首先把经 信号处理模块处理后的信号送入微处理单元的A/D接口，经信号处理模块处理后的信号送入微处理单元的中断接口。根据磁电传感器测量瞬时转速的原理及信号处理模块的特点，中断寄存器设定上升沿发生中断，用定时器0记录齿圈上两齿即两次发生中断的时间；用定时器1控制A/D转换模块以固定采样频率对油压信号进行采集，由此可以确定供油波形两采样点间时间间隔。根据发动机瞬时转速信号变化特点，可认为齿圈两齿间瞬时转速是不变的，即两齿间的平均转速可认为是两齿间的瞬时转速。由此，可以计算得到发动机瞬时转速波形。根据发动机工作特性及结构，如飞轮齿圈数、发动机缸数等，利用傅里叶级数法设计了相应的非递推低通数字滤波器对瞬时转速信号进行滤波处理，有效的去除毛刺等干扰。
为了提高测量精度，可以采取以下措施：
在器件选择上：针对本系统的特殊环境，选取高抗干扰芯片，比如所有芯片均选择汽车级芯片。在电路设计上：电路设计过程中除了完成特定的功能，还要充分考虑电路的稳定性、抗干扰性，如滤波措施等。设置看门狗电路：在实际应用的系统中，微控制器在程序运行时极有可能因受到干扰而发生程序“跑飞”或者“死机”现象，看门狗设计能有效解决这个问题并提高系统的自恢复能力。
上面所述的实例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种发动机供油提前角测量系统的测量方法，所述发动机包括供油管(3)和固定于输出轴上的齿圈(2)，所述测量系统包括用于测量齿圈转速的转速传感器(1)、用于测量供油管压力的油压传感器(4)、信号处理模块(5)和微处理单元(6)，所述转速传感器和油压传感器的输出端均与信号处理模块的输入端相连接，所述信号处理模块的输出端与微处理单元的输入端口相连接；
不妨设齿圈的齿数为N，供油提前角为其特征在于，所述的发动机供油提前角测量系统的测量方法包括以下步骤：
(1)获取最大油压信号值，在发动机的一个工作循环内，对油压信号用周期为T的采样信号进行采集，并记录每次取得的压力值pn，设最大值为Pmax，设压力值pn所对应的信号采集时间为Tn；
(2)油压和转速信号测量，在下一个循环内，在对油压信号测量的同时也对转速信号进行测量，并记录油压信号和转速信号，设相应齿的瞬时转速为vn；
(3)找同步点，将油压信号与xPmax相比较，如果出现pn＜xPmax＜pn+1，则根据pn、xPmax和pn+1的数值利用插值法计算出xPmax在该工作循环内发生的时间点，设该时间点为同步点T′；如果出现pm＝xPmax，则同步点T′＝Tm，其中0＜x＜1；
(4)求取最低点和开始点，利用数据拟合算法求出瞬时转速波形的最低点，即获取了气缸的上止点，设最低点所对应的时间为t′；利用插值法可以求得供油管供油的开始时间，设为T0；
(5)设定参量，设从T0到T′时间段内，齿圈所转过的整齿为m1个；从T′到t′时间段内，齿圈所转过的整齿为m2个；
(6)求夹角，当m1≠0时，利用插值法计算出T0和T′分别到m1个齿中第一个齿时和最后一个齿时齿圈所转过的角度，分别记为和当m1＝0时，利用插值法计算出从T0到T′时间段内齿圈所转过的角度，设为
(7)求夹角，利用插值法计算出T′和t′分别到m2个齿中第一个齿时和最后一个齿时齿圈所转过的角度，分别记为和
(8)求供油提前角，利用以下公式计算出供油提前角为
当m1≠0时；
当m1＝0时。
2.根据权利要求1所述的发动机供油提前角测量系统的测量方法，其特征在于：包括与微处理单元相连接的用于显示数据的显示器(8)以及进行数据存储的存储器(9)，所述微处理单元(6)通过通讯接口(10)与PC机相连接。
3.根据权利要求1或2所述的发动机供油提前角测量系统的测量方法，其特征在于：所述转速传感器(1)和油压传感器(2)分别为磁电转速传感器和夹持式油压传感器。
4.根据权利要求1或2所述的发动机供油提前角测量系统的测量方法，其特征在于：所述转速传感器输出的转速信号经运算放大器放大后再经逻辑运算；所述油压传感器输出的油压信号经过两级运算放大器滤波放大。
5.根据权利要求1所述的发动机供油提前角测量方法，其特征在于：步骤(3)中所述的同步时间点算法和步骤(4)中所述的最低点时间算法分别采用二次或二次以上的插值算法和二次或二次以上的数据拟合算法；所述和计算的过程中采用一次或一次以上的插值算法。
6.根据权利要求1或5所述的发动机供油提前角测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述的转速信号测量中，包括根据齿圈的齿数和发动机缸数利用傅里叶级数法设计的非递推低通数字滤波器对其进行数字滤波。
7.根据权利要求1所述的发动机供油提前角测量方法，其特征在于：在油压信号测量的过程中，拧松与所述被测供油管相连的喷油嘴，使燃料不喷入缸内。
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