CN110207994A - 一种发动机初始配气相位自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机初始配气相位自动测量系统，包括发动机驱动单元、活塞位移传感器、进气门位移传感器、排气门位移传感器、曲轴角度传感器、数据采集卡、工控机和直流开关电源，直流开关电源用于供电，发动机驱动单元驱动被测发动机工作，活塞位移传感器输出反映活塞位移的信号并传输至工控机，进气门位移传感器输出反映进气门位移的信号并传输至工控机，排气门位移传感器输出反映排气门位移的信号并传输至工控机，曲轴角度传感器输出反映曲轴角度的电压信号并传输至工控机，工控机利用相关算法对这些信号进行处理，得到发动机初始配气相位。本发明能够提高测量精确度，同时提高测量结果的重复性和再现性。

Description

一种发动机初始配气相位自动测量系统

技术领域

本发明属于汽车发动机测试领域，具体涉及一种发动机初始配气相位自动测量系统。

背景技术

在节能减排战略规划与法规标准的双重压力下，无论传统动力或混合动力汽车，对于高效清洁发动机的需求都迫在眉睫。“米勒循环”、“阿特金森循环”、“均质压燃”等新型燃烧技术已经成为了高效清洁发动机主要发展趋势。为了实现这些技术的产业化应用，发动机燃烧系统工艺一致性控制尤为重要；其中，初始配气相位、压缩比和气道滚流比的一致性对发动机燃烧和排放影响最为关键。

配气机构物理相位的测量涉及发动机曲轴角度、气门位移和活塞位移等多个测量值的相互关联转换。目前，对于发动机初始配气相位的测量主要采用人工读数，测量的重复性和再现性在初始相位设计公差提升后，很难满足设计需求，从而无法真实反映发动机配气机构相位设计精度提升的效果评估。

CN202057494公开了一种发动机在线配气相位检测设备，包括测试台架和检测系统，测试台架包括机架、平台、夹具定位和压紧装置；平台上设有用于与连续生产线匹配的工位，该工位用于放置安装发动机的夹具；检测系统包括活塞位移传感器、气门位移传感器、用于驱动被检发动机工作的电机、用于连接被检发动机转轴和电机输出轴的装夹执行机构，以及控制系统；控制系统包括PLC控制器，用于控制电机工作及装夹动作；活塞位移传感器采集发动机工作时发动机活塞位移的数据，并通过数据采集卡传输至检测系统的工业计算机进行运算处理，获得进排气相位数据；气门位移传感器由发动机进气门位移传感器和排气门位移传感器构成，采集发动机工作时发动机进气门和排气门位移的数据，并通过数据采集卡传输至检测系统的工业计算机进行运算处理，获得进排气相位数据；活塞位移传感器和气门位移传感器通过活动支架安装于台板上。这种检测设备安装在生产线上，设备自动化程度高，使发动机气门配气检测由抽检变为台检，实现了发动机在线检测，测试速度快；但是其测量原理决定了其配气相位检测精确度不高，检测结果的重复性和再现性较差，仍然不能满足产品设计精度提升的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机初始配气相位自动测量系统，以提高发动机初始配气相位的测量精确度，同时提高测量结果的重复性和再现性。

本发明所述的发动机初始配气相位自动测量系统，包括发动机驱动单元、活塞位移传感器、进气门位移传感器、排气门位移传感器、曲轴角度传感器、数据采集卡、工控机和直流开关电源，直流开关电源给活塞位移传感器、进气门位移传感器、排气门位移传感器、曲轴角度传感器、数据采集卡供电，发动机驱动单元驱动被测发动机工作，活塞位移传感器输出反映活塞位移的信号并通过数据采集卡传输至工控机，进气门位移传感器输出反映进气门位移的信号并通过数据采集卡传输至工控机，排气门位移传感器输出反映排气门位移的信号并通过数据采集卡传输至工控机，曲轴角度传感器输出反映曲轴角度的电压信号并通过数据采集卡传输至工控机；所述工控机被编程以便执行如下步骤：

对反映活塞位移的信号、反映进气门位移的信号、反映排气门位移的信号以及反映曲轴角度的电压信号进行低通滤波和平滑处理，去除信号采集过程中的噪声；

利用公式：计算当前的曲轴角度θ；其中，V表示经低通滤波和平滑处理后的反映当前的曲轴角度的电压，V_max表示曲轴角度传感器的实际供电电压；

对经低通滤波和平滑处理后的反映活塞位移的信号、反映进气门位移的信号、反映排气门位移的信号进行转换，得到活塞位移、进气门位移、排气门位移；

将同一时刻的曲轴角度、活塞位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-活塞位移曲线；将同一时刻的曲轴角度、进气门位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-进气门位移曲线；将同一时刻的曲轴角度、排气门位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-排气门位移曲线；

对活塞位移、进气门位移、排气门位移进行阶梯化处理，将曲轴角度-活塞位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线，将曲轴角度-进气门位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线，将曲轴角度-排气门位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线；

提取曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线中阶梯式活塞位移的最小值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值(其等于该曲轴角度区间的上限加下限，然后再除以2)作为上止点绝对相位γ；提取曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线中阶梯式进气门位移的最大值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为进气绝对相位α_绝；提取曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线中阶梯式排气门位移的最大值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为排气绝对相位β_绝；

利用公式：α_初＝α_绝-γ，β_初＝γ-β_绝，计算得到进气初始相位α_初和排气初始相位β_初(进气初始相位α_初和排气初始相位β_初组成发动机初始配气相位)，并输出。

优选的，所述工控机对活塞位移、进气门位移、排气门位移进行阶梯化处理的步骤为：

提取活塞位移的最小值和最大值、进气门位移的最小值和最大值、排气门位移的最小值和最大值；

以活塞位移的最小值为基准，按照预设步长ΔS进行活塞位移区间[S_i，S_i+1]分区，其中，i＝1,2,3…,n，S₁＝活塞位移的最小值，S_i+1＝S_i+ΔS，当S_i+1≥活塞位移的最大值时，活塞位移区间分区终止，终止时的区间为第n个活塞位移区间；以进气门位移的最大值为基准，按照预设步长ΔS进行进气门位移区间[L_j+1，L_j]分区，其中，j＝1,2,3…,m，L₁＝进气门位移的最大值，L_j+1＝L_j-ΔS，当L_j+1≤进气门位移的最小值时，进气门位移区间分区终止，终止时的区间为第m个进气门位移区间；以排气门位移的最大值为基准，按照预设步长ΔS进行排气门位移区间[H_k+1，H_k]分区，其中，k＝1,2,3…,w，H₁＝排气门位移的最大值，H_k+1＝H_k-ΔS，当H_k+1≤排气门位移的最小值时，排气门位移区间分区终止，终止时的区间为第w个排气门位移区间；

将活塞位移带入活塞位移区间进行判断，如果当前的活塞位移S_x位于某个活塞位移区间[S_i，S_i+1]内，则使当前的阶梯式活塞位移S′_x＝S_i或者S′_x＝S_i+1，并将曲轴角度-活塞位移曲线中与当前的活塞位移S_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式活塞位移S′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线；将进气门位移带入进气门位移区间进行判断，如果当前的进气门位移L_x位于某个进气门位移区间[L_j+1，L_j]内，则使当前的阶梯式进气门位移L′_x＝L_j或者L′_x＝L_j+1，并将曲轴角度-进气门位移曲线中与当前的进气门位移L_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式进气门位移L′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线；将排气门位移带入排气门位移区间进行判断，如果当前的排气门位移H_x位于某个排气门位移区间[H_k+1，H_k]内，则使当前的阶梯式排气门位移H′_x＝H_k或者H′_x＝H_k+1，并将曲轴角度-排气门位移曲线中与当前的排气门位移H_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式排气门位移H′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线。

优选的，所述预设步长ΔS≤0.05mm。

优选的，所述曲轴角度传感器的实际供电电压V_max可以由数据采集卡直接采集直流开关电源提供的电压，并经工控机处理得到；所述曲轴角度传感器的实际供电电压V_max也是在发动机驱动单元驱动被测发动机盘车两圈过程中，工控机对曲轴角度传感器输出的反映曲轴角度的电压信号进行低通滤波和平滑处理后，得到的反映曲轴角度的电压的最大值。

本发明中工控机利用公式对当前的曲轴角度θ进行修正，保证了所测相位的准确度，利用同一时刻曲轴角度与进行阶梯化处理后得到的阶梯式活塞位移、阶梯式进气门位移、阶梯式排气门位移的对应关系来计算获得进气初始相位和排气初始相位，不需要人工读数和人工导出数据再处理，提高了测量结果的重复性和再现性，也提高了计算所得的进气、排气初始相位的精确度，满足了产品设计精度提升的需求。

附图说明

图1为本发明的测量原理图。

图2为本发明在对被测发动机进行测量时的装配示意图。

图3为本发明中的工控机对信号进行处理的流程示意图。

图4为本发明中的工控机对活塞位移、进气门位移、排气门位移进行阶梯化处理的流程示意图。

图5为本发明中的发动机初始配气相位的计算原理示意图。

图6为本发明中的工控机对进气门位移进行阶梯化处理后的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图6所示的发动机初始配气相位自动测量系统，包括发动机驱动单元、活塞位移传感器1、进气门位移传感器2、排气门位移传感器3、曲轴角度传感器4、数据采集卡5、工控机6和直流开关电源7，活塞位移传感器1、进气门位移传感器2、排气门位移传感器3、曲轴角度传感器4、数据采集卡5都与直流开关电源7电连接，直流开关电源7给活塞位移传感器1、进气门位移传感器2、排气门位移传感器3、曲轴角度传感器4、数据采集卡5供电，活塞位移传感器1、进气门位移传感器2、排气门位移传感器3、曲轴角度传感器4都通过数据采集卡5与工控机6电连接。发动机驱动单元包括直流电机减速器总成8、传动同步带轮总成9、连轴工装10和电机支架11。

如图2所示，装配时，被测发动机(包括具有完整配气机构的缸盖总成12、具有曲柄连杆机构的曲轴箱总成13以及正时系统)通过发动机安装支架总成14安装于装机小车15上。采用位移传感器装夹工装16将活塞位移传感器1、进气门位移传感器2、排气门位移传感器3固定于未安装缸盖罩的缸盖总成12上，使活塞位移传感器1的测量方向与活塞运动方向平行，使进气门位移传感器2的测量方向与进气门轴线方向平行，使排气门位移传感器3的测量方向与排气门轴线方向平行；将曲轴角度传感器4与曲轴前端连接，确保曲轴角度传感器转子轴线与曲轴轴线同轴，并通过角度传感器安装支架17固定在曲轴箱总成13上；将电机支架11安装在装机小车15上，直流电机减速器总成8安装在电机支架11上，传动同步带轮总成9的一个皮带轮与直流电机减速器总成8的输出端连接、另一个皮带轮通过连轴工装10连接曲轴后端，调节电机支架11，使传动同步带轮总成9的两个皮带轮保持在同一平面，并使同步皮带张紧，传动同步带轮总成9能将直流电机减速器总成8输出的动力传递至被测发动机的曲轴，驱动被测发动机工作，实现被测发动机等速自动盘车操作。

测量时，活塞位移传感器1输出反映活塞位移的信号(为电压信号)并通过数据采集卡5传输至工控机6，进气门位移传感器2输出反映进气门位移的信号(为电压信号)并通过数据采集卡5传输至工控机6，排气门位移传感器3输出反映排气门位移的信号(为电压信号)并通过数据采集卡5传输至工控机6，曲轴角度传感器4输出反映曲轴角度的电压信号并通过数据采集卡5传输至工控机6。如图3、图4所示，工控机6被编程以便执行如下步骤：

S1、信号滤波：对反映活塞位移的信号、反映进气门位移的信号、反映排气门位移的信号以及反映曲轴角度的电压信号进行低通滤波和平滑处理，去除信号采集过程中的噪声。

S2、曲轴角度信号修正：利用公式计算当前的曲轴角度θ；其中，V表示经低通滤波和平滑处理后的反映当前的曲轴角度的电压，V_max表示曲轴角度传感器的实际供电电压，V_max由数据采集卡5直接采集直流开关电源7提供的电压，并经工控机6处理得到；V_max也是在直流电机减速器总成8驱动被测发动机盘车两圈过程中，工控机6对曲轴角度传感器4输出的反映曲轴角度的电压信号进行低通滤波和平滑处理后，得到的反映曲轴角度的电压的最大值。

S3、获取位移：对经低通滤波和平滑处理后的反映活塞位移的信号、反映进气门位移的信号、反映排气门位移的信号进行转换，得到活塞位移、进气门位移、排气门位移。

S4、绘制曲轴角度与位移的关系曲线：将同一时刻的曲轴角度、活塞位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-活塞位移曲线；将同一时刻的曲轴角度、进气门位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-进气门位移曲线；将同一时刻的曲轴角度、排气门位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-排气门位移曲线。

S5、位移阶梯化处理：对活塞位移、进气门位移、排气门位移进行阶梯化处理，将曲轴角度-活塞位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线，将曲轴角度-进气门位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线，将曲轴角度-排气门位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线。具体步骤为：

S5-1、位移最值提取：提取活塞位移的最小值和最大值、进气门位移的最小值和最大值、排气门位移的最小值和最大值；

S5-2、位移区间分区：以活塞位移的最小值为基准，按照预设步长ΔS(比如0.05mm或者0.03mm或者0.01mm等)进行活塞位移区间[S_i，S_i+1]分区，其中，i＝1,2,3…,n，S₁＝活塞位移的最小值，S_i+1＝S_i+ΔS，当S_i+1≥活塞位移的最大值时，活塞位移区间分区终止，终止时的区间为第n个活塞位移区间；以进气门位移的最大值为基准，按照预设步长ΔS进行进气门位移区间[L_j+1，L_j]分区，其中，j＝1,2,3…,m，L₁＝进气门位移的最大值，L_j+1＝L_j-ΔS，当L_j+1≤进气门位移的最小值时，进气门位移区间分区终止，终止时的区间为第m个进气门位移区间；以排气门位移的最大值为基准，按照预设步长ΔS进行排气门位移区间[H_k+1，H_k]分区，其中，k＝1,2,3…,w，H₁＝排气门位移的最大值，H_k+1＝H_k-ΔS，当H_k+1≤排气门位移的最小值时，排气门位移区间分区终止，终止时的区间为第w个排气门位移区间。

S5-3、输出曲轴角度与阶梯式位移的关系曲线：将活塞位移带入活塞位移区间进行判断，如果当前的活塞位移S_x位于某个活塞位移区间[S_i，S_i+1]内，则使当前的阶梯式活塞位移S′_x＝S_i(也可以是S′_x＝S_i+1)，并将曲轴角度-活塞位移曲线中与当前的活塞位移S_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式活塞位移S′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线；将进气门位移带入进气门位移区间进行判断，如果当前的进气门位移L_x位于某个进气门位移区间[L_j+1，L_j]内，则使当前的阶梯式进气门位移L′_x＝L_j+1(也可以是L′_x＝L_j)，并将曲轴角度-进气门位移曲线中与当前的进气门位移L_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式进气门位移L′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线(参见图6)；将排气门位移带入排气门位移区间进行判断，如果当前的排气门位移H_x位于某个排气门位移区间[H_k+1，H_k]内，则使当前的阶梯式排气门位移H′_x＝H_k+1(也可以是H′_x＝H_k)，并将曲轴角度-排气门位移曲线中与当前的排气门位移H_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式排气门位移H′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线。

S6、确定上止点绝对相位、进气绝对相位和排气绝对相位：提取曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线中阶梯式活塞位移的最小值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为上止点绝对相位γ；提取曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线中阶梯式进气门位移的最大值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值(其等于该曲轴角度区间的上限加下限，然后再除以2)作为进气绝对相位α_绝(参见图6)；提取曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线中阶梯式排气门位移的最大值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为排气绝对相位β_绝。

S7、计算并输出发动机初始配气相位：如图5所示，利用公式α_初＝α_绝-γ，β_初＝γ-β_绝，计算得到进气初始相位α_初和排气初始相位β_初(进气初始相位α_初和排气初始相位β_初组成发动机初始配气相位)，然后输出进气初始相位α_初和排气初始相位β_初。

Claims (5)

1.一种发动机初始配气相位自动测量系统，包括发动机驱动单元、活塞位移传感器(1)、进气门位移传感器(2)、排气门位移传感器(3)、曲轴角度传感器(4)、数据采集卡(5)、工控机(6)和直流开关电源(7)，直流开关电源(7)给活塞位移传感器(1)、进气门位移传感器(2)、排气门位移传感器(3)、曲轴角度传感器(4)、数据采集卡(5)供电，发动机驱动单元驱动被测发动机工作，活塞位移传感器(1)输出反映活塞位移的信号并通过数据采集卡(5)传输至工控机(6)，进气门位移传感器(2)输出反映进气门位移的信号并通过数据采集卡(5)传输至工控机(6)，排气门位移传感器(3)输出反映排气门位移的信号并通过数据采集卡(5)传输至工控机(6)，曲轴角度传感器(4)输出反映曲轴角度的电压信号并通过数据采集卡(5)传输至工控机(6)；其特征在于，所述工控机(6)被编程以便执行如下步骤：

对反映活塞位移的信号、反映进气门位移的信号、反映排气门位移的信号以及反映曲轴角度的电压信号进行低通滤波和平滑处理，去除信号采集过程中的噪声；

利用公式：计算当前的曲轴角度θ；其中，V表示经低通滤波和平滑处理后的反映当前的曲轴角度的电压，V_max表示曲轴角度传感器的实际供电电压；

对经低通滤波和平滑处理后的反映活塞位移的信号、反映进气门位移的信号、反映排气门位移的信号进行转换，得到活塞位移、进气门位移、排气门位移；

将同一时刻的曲轴角度、活塞位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-活塞位移曲线；将同一时刻的曲轴角度、进气门位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-进气门位移曲线；将同一时刻的曲轴角度、排气门位移对应并分别作为X轴、Y轴，绘制曲轴角度-排气门位移曲线；

对活塞位移、进气门位移、排气门位移进行阶梯化处理，将曲轴角度-活塞位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线，将曲轴角度-进气门位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线，将曲轴角度-排气门位移曲线转换为曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线；

提取曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线中阶梯式活塞位移的最小值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为上止点绝对相位γ；提取曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线中阶梯式进气门位移的最大值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为进气绝对相位α_绝；提取曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线中阶梯式排气门位移的最大值所对应的曲轴角度区间，并将该曲轴角度区间的中值作为排气绝对相位β_绝；

利用公式：α_初＝α_绝-γ，β_初＝γ-β_绝，计算得到进气初始相位α_初和排气初始相位β_初，并输出。

2.根据权利要求1所述的发动机初始相位自动测量系统，其特征在于，所述工控机(6)对活塞位移、进气门位移、排气门位移进行阶梯化处理的步骤为：

提取活塞位移的最小值和最大值、进气门位移的最小值和最大值、排气门位移的最小值和最大值；

以活塞位移的最小值为基准，按照预设步长ΔS进行活塞位移区间[S_i，S_i+1]分区，其中，i＝1，2，3…，n，S₁＝活塞位移的最小值，S_i+1＝S_i+ΔS，当S_i+1≥活塞位移的最大值时，活塞位移区间分区终止，终止时的区间为第n个活塞位移区间；以进气门位移的最大值为基准，按照预设步长ΔS进行进气门位移区间[L_j+1，L_j]分区，其中，j＝1，2，3…，m，L₁＝进气门位移的最大值，L_j+1＝L_i-ΔS，当L_j+1≤进气门位移的最小值时，进气门位移区间分区终止，终止时的区间为第m个进气门位移区间；以排气门位移的最大值为基准，按照预设步长ΔS进行排气门位移区间[H_k+1，H_k]分区，其中，k＝1，2，3…，w，H₁＝排气门位移的最大值，H_k+1＝H_k-ΔS，当H_k+1≤排气门位移的最小值时，排气门位移区间分区终止，终止时的区间为第w个排气门位移区间；

将活塞位移带入活塞位移区间进行判断，如果当前的活塞位移S_x位于某个活塞位移区间[S_i，S_i+1]内，则使当前的阶梯式活塞位移S′_x＝S_i或者S′_x＝S_i+1，并将曲轴角度-活塞位移曲线中与当前的活塞位移S_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式活塞位移S′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式活塞位移曲线；将进气门位移带入进气门位移区间进行判断，如果当前的进气门位移L_x位于某个进气门位移区间[L_j+1，L_j]内，则使当前的阶梯式进气门位移L′_x＝L_j或者L′_x＝L_j+1，并将曲轴角度-进气门位移曲线中与当前的进气门位移L_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式进气门位移L′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式进气门位移曲线；将排气门位移带入排气门位移区间进行判断，如果当前的排气门位移H_x位于某个排气门位移区间[H_k+1，H_k]内，则使当前的阶梯式排气门位移H′_x＝H_k或者H′_x＝H_k+1，并将曲轴角度-排气门位移曲线中与当前的排气门位移H_x对应的曲轴角度变为与当前的阶梯式排气门位移H′_x对应，形成曲轴角度-阶梯式排气门位移曲线。

3.根据权利要求2所述的发动机初始配气相位自动测量系统，其特征在于：所述预设步长ΔS≤0.05mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的发动机初始配气相位自动测量系统，其特征在于，所述曲轴角度传感器(4)的实际供电电压V_max为数据采集卡(5)采集的直流开关电源(7)提供的电压。

5.根据权利要求1或2或3所述的发动机初始配气相位自动测量系统，其特征在于，所述曲轴角度传感器(4)的实际供电电压V_max为被测发动机盘车两圈过程中，经低通滤波和平滑处理后的反映曲轴角度的电压的最大值。