CN110514447A - 一种基于光学发动机的同步光学测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光学发动机的同步光学测试系统属内燃机光学测试技术领域，本发明中信号发生系统中安装在光学可视化发动机曲轴上的光电编码器(角标仪)经过信号分配器分别连接到信号控制器和燃烧分析仪；信号发生系统经过信号线与信号滤波系统连接；信号滤波系统经过信号线与控制器系统连接；控制器系统经过信号线与执行器系统连接；本发明不仅有效提高气门动作与发动机相位的精确匹配和灵活控制，而且能提高光学测试手段的采集图像的精度，解决了以往由于发动机转速的波动所导致的液压可变气门正时机构的气门动作与发动机相位不匹配，和使用光学测试手段时图像捕获的数据与发动机运转相位无法精准对应的问题。
Description
技术领域
本发明属于内燃机光学测试技术领域，具体涉及一种基于光学发动机的同步光学测试系统，特别是在光学发动机上实现精确灵活的进排气门开闭策略，以及准确捕捉缸内火焰发展过程及中间反应物的图像。
背景技术
随着日益严格的燃油耗及排放法规，如何提高内燃机的燃烧效率及控制污染物的排放，成为当今内燃机研究领域的热点与难点。对于内燃机领域的研究不能仅局限于表观参数的优化，许多新型的燃烧模式已经逐步被提出，由此便涉及到灵活多变的进排气策略，并需要对内燃机缸内的油气混合过程、燃烧反应及污染物生成机理有更加直观的理解，从而进一步提升和优化内燃机的性能，因此需要光学发动机配备可以精确控制且灵活多变的进排气门开闭策略，对研究新型的燃烧模式拥有更加的适应性，并且光学可视化发动机结合各种光学测试手段，对缸内的油气混合过程、燃烧过程及排放物的生成进行全面且深入的探索。
现今所提出的新型燃烧模式，对如何灵活组织发动机进排气过程及控制燃烧过程提出了很高的要求。为了实现新型燃烧模式和内部废气再循环，需要发动机具备对进排气参数及喷油参数灵活可调的能力。而光学可视化发动机是在试验阶段进行基础研究所需的重要设备，可以从根本上研究发动机缸内温度场和物质浓度场的时空分布，就要利用比如直接拍摄自发光火焰法、激光诱导荧光法(LIF)、激光诱导炽光法(LII)等这些非侵入式的光学测试手段，实现发动机缸内物理变化或化学反应发展过程的基础研究。将进排气参数及喷油参数灵活可调的能力结合到光学发动机中，便于在实验研究工作中探究新型燃烧模式中的最佳实现方案。
但现今光学发动机上基本都配备了利用凸轮轴驱动的传统配气机构，配气正时不仅不能灵活多变，无法实现新型燃烧模式所要求的进排气门动作时刻，而且也不能随着发动机的转速灵活调整，达到最佳的进气效率。同时对于现阶段应用在光学发动机上的光学测试手段，在利用CMOS或CCD相机对缸内的火焰图像及物质浓度场的时空分布进行捕捉时，所选用的拍摄频率都是基于相机所设置的内部固定时钟，但是发动机的转速不是完全恒定的，而是有较大波动的，这样导致所捕捉到的图像信息无法准确跟踪到发动机每一度的曲轴转角，导致所获得的图像信息无法精确对应到所需要的曲轴转角位置，这样的光学试验结果的可信度大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光学发动机的同步光学测试系统，利用信号控制器在接收到每个发动机循环电子控制单元发出的单个脉冲信号时，便对光电编码器(角标仪)传来的曲轴转角信息进行计数，当计数器中所记的数达到所设定的阀值时，信号控制器对外发出脉冲信号，用来驱动液压可变气门机构中的进气门和排气门以及触发相机并使相机跟随我们设定的拍摄频率进行图像捕捉。解决现有可变气门正时技术(VVT)的气门动作无法灵活可调并精确跟随发动机转速的变化，和光学测试手段中相机的拍摄频率无法精确跟踪发动机曲轴转角以满足实际试验的准确性需要的问题。
本发明由信号发生系统Ⅰ，信号滤波系统Ⅱ，控制器系统Ⅲ，执行器系统Ⅳ组成，信号发生系统Ⅰ中光电编码器--角标仪6的信号线与信号滤波系统Ⅱ中滤波电路12的信号输入端口连接；信号发生系统Ⅰ中电子控制单元ECU3的触发信号输出口与信号滤波系统Ⅱ的磁电转换电路11的信号入口连接；信号滤波系统Ⅱ中数字延迟发生器a10的信号输出端口与控制器系统Ⅲ中信号控制器16的同步信号输入端口连接；信号滤波系统Ⅱ中数字延迟发生器b13的信号输出端口与控制器系统Ⅲ中信号控制器16的触发信号输入引脚连接；控制器系统Ⅲ中驱动电路19的输出端口与执行器系统Ⅳ中高速电磁阀组22的四个高速电磁阀的输入端口连接；控制器系统Ⅲ中信号控制器16的同步信号输出端口分别与执行器系统Ⅳ中高速摄像机26的同步信号输入端口连接；控制器系统Ⅲ中信号控制器16的触发信号输出端口与执行器系统Ⅳ中高速摄像机26和CCD相机24的触发信号输入端口连接。
信号发生系统Ⅰ中安装在光学可视化发动机1的曲轴延长杆上的光电编码器(角标仪)6通过信号分配器5将一路信号分为二路，分别连接到电子控制单元(ECU)3和燃烧分析仪4；光电编码器(角标仪)6及其信号处理模块用来将旋转件转速及相位信息转换为数字化的角度信号，可以监测旋转器件的转速及相位。光电编码器(角标仪)6安装在发动机曲轴末端的延长杆上，用来在进行内燃机的燃烧分析、运动学和动力学分析等与转速相关工作过程中采集相位参考信息。燃烧分析仪4给光电编码器(角标仪)6供电的同时利用其发出的数字化的角度信号并接收缸压传感器发出的电荷信号进行燃烧分析。发动机电子控制单元(ECU)3是通过识别可视化发动机的曲轴及凸轮轴位置传感器提供的相位信息对外部发出指定的信号。信号滤波系统Ⅱ中滤波电路12的输出接口与数字延迟发生器b13通过信号线相连接，磁电转换电路11通过信号线和数字信号延迟发生器a10的输入端口相连接；信号滤波系统Ⅱ是对信号发生系统Ⅰ中传输信号进行信号滤波和信号整形。控制器系统Ⅲ中的计算机21通过通信器20与信号控制器16相连接，信号控制器16的4个接口通过信号线与驱动电路19相连接；计算机21用来将程序写入信号控制器16，并且监控信号控制器16中程序的控制参数变化和改变参数。信号发生系统Ⅰ中的光电编码器(角标仪)6和电子控制单元(ECU)3分别经过信号线与信号滤波系统Ⅱ中的滤波电路12和磁电转换电路11相连接；信号滤波系统Ⅱ中的数字信号延迟发生器a10经过信号线与控制器系统Ⅲ中的信号控制器16相连接；控制器系统Ⅲ中的驱动电路17经过信号线与执行器系统Ⅳ中的四个高速电磁阀22连接；控制器系统Ⅲ中的信号控制器16经过信号线与执行器系统Ⅳ中的高速摄像机24和CCD相机26相连接。
本发明通过将发动机曲轴上的光电编码器(角标仪)信号通过信号分配器分为两路信号，不仅使光电编码器(角标仪)信号输入到燃烧分析仪进行热力学分析，而且还经过信号滤波系统Ⅱ输入到控制器系统Ⅲ中，经过一系列的信号处理后对外输出至执行器系统Ⅳ，既可以实现对液压可变气门正时装置(VVT)的气门动作精确跟随发动机曲轴转角，不受因转速波动而产生的气门动作位置和曲轴产生的相位差的影响，并且进排气门开闭时刻可以实现灵活可调；在发动机光学测试领域中，可以使相机的拍摄时刻和拍摄频率准确跟随发动机曲轴转角，实现图像捕捉和曲轴转角进行精确的相位匹配。
所述的信号发生系统Ⅰ由光学发动机1、电脑2、电子控制单元--ECU3、燃烧分析仪4、信号分配器5、光电编码器--角标仪6、曲轴位置传感器7、凸轮轴位置传感器8和电力测功机9组成，其中，电力测功机9经联轴器与光学发动机1连接；光电编码器--角标仪6和曲轴位置传感器7通过张紧装置镶嵌在光学发动机1的曲轴延长杆上，凸轮轴位置传感器8经张紧装置镶嵌在光学发动机1凸轮轴延长杆上；光电编码器--角标仪6经信号线与燃烧分析仪4连接，曲轴位置传感器7和凸轮轴位置传感器8经信号线与电子控制单元--ECU3连接，燃烧分析仪4和电子控制单元--ECU3经信号线与电脑2的输入端口连接。
当电子控制单元(ECU)3接收到曲轴位置传感器7和凸轮轴位置传感器8这两个霍尔式传感器发出的方波信号后，便可判断发动机运转相位以及转速信息，并在每个循环人为设定好的曲轴相位对外发送一个peak-hold电流触发信号。发动机每转一周，光电编码器(角标仪)6对外输出3600个方波信号。
所述的信号滤波系统Ⅱ由数字信号延迟发生器a10、磁电转换电路11、滤波电路12和数字信号延迟发生器b13组成，其中，磁电转换电路11经信号线与数字信号延迟发生器a10的输入端口连接；滤波电路12经信号线与数字信号延迟发生器b13的输入端口连接。
信号发生系统Ⅰ中的光电编码器(角标仪)6通过信号线接入到滤波电路12中，再由信号线引至数字延迟发生器b13的输入端口，经输出端口通过信号线接入控制器系统Ⅲ的信号控制器16。信号发生系统Ⅰ中的电子控制单元(ECU)3通过信号线接入到磁电转换电路11中，再由信号线接入数字信号延迟发生器a10的输入端口，经信号线接入控制器系统Ⅲ的信号控制器16。由于信号发生系统Ⅰ中的光电编码器(角标仪)6发出的信号波形不是标准的TTL信号，自身会产生电磁干扰并且会受到杂波的干扰，导致5VTTL信号的波形不稳定，所以首先经过滤波电路12实现一个滤波的功能，但滤波后的波形的上升沿变缓，电压的峰值也被削减。随后信号经过数字延迟发生器a10后，将信号整形为标准的TTL信号。由于信号发生系统Ⅰ中的电子控制单元(ECU)3所给出触发信号的触发信号为peak-hold电流信号无法直接被控制器系统Ⅲ中的信号控制器16识别，将此信号经过磁电转换电路11转化为每循环一个的脉冲信号触发信号，再将其接入数字信号延迟发生器a10将其整形为一个标准的TTL脉冲信号输出。
所述的控制器系统Ⅲ由5v直流电源14、开关c15、信号控制器16、24V直流电源17、开关d18、驱动电路19、通信器20和计算机21组成，5v直流电源14的输出端口经电源线和开关c15与信号控制器16的供电接口连接；信号控制器16经四根信号线与驱动电路19的信号接收端连接，24V电源17的输出端口经开关d18，与驱动电路19的供电接口连接；计算机21的I/O接口经通信器20与信号控制器16的下载端口连接。
5v直流电源14与信号控制器16相相连进行供电，24V直流电源17分别与驱动电路19相连，为其24V驱动端进行供电提供驱动电压。计算机21经过通信器20与信号控制器16相连接，信号控制器16与计算机21经过通信器20进行通信，计算机21对信号控制器16的运行的程序进行修改和监控信号控制器16内部程序运行参数与状态；信号控制器16引出四路信号线和三路TTL信号线，引出的四路信号线接入驱动电路19的信号输入端，输出端连接到执行器系统Ⅳ中的四个高速电磁阀22；内部的程序开始运行，对接收到的经过信号滤波系统Ⅱ后的光电编码器(角标仪)4的每转3600个脉冲信号进行计数，自行设置以多个脉冲信号为单元进行计数，一般设定为以10个脉冲信号为单位计数，即每转计数360，每一个数对应一度曲轴转角。当累加器计数的数值达到已经设定好的阀值时，也就是对应进气门或排气门动作的曲轴相位时，信号控制器16发出四路5v方波触发信号给驱动电路19输入端，随后触发信号进入驱动电路19后方波信号的峰值电压被提升至24v，由输出端口对外输出驱动信号，驱动执行器系统Ⅳ中的四个高速电磁阀22，使其动作控制发动机两个进气门和两个排气门的开闭动作。信号控制器16引出两路信号线分别接入到高速摄像机26的触发端口和同步端口，触发端口接收信号控制器16发出的每循环一个的触发信号决定相机的拍摄时刻，同步端口接收信号控制器16发出的TTL信号进行相机的拍摄频率与转速的同步。在信号控制器16接收到经过信号滤波系统Ⅱ后的电子控制单元(ECU)3给出的每循环一个触发信号后，对接收到的经过信号滤波系统Ⅱ后的光电编码器(角标仪)4的每转3600个脉冲信号进行计数，当累加器计数的数值达到已经设定好的需要触发相机的阀值时，一路输出端口对外发出一个相机触发信号，在需要拍摄的时刻触发相机，另一路输出端口以计数周期对外发出脉冲信号使相机在这个信号频率下进行拍摄。由信号控制器16引出的另一路触发信号接入到CCD相机24触发端口；在认为设定好的阀值对应的曲轴相位发出每循环一个得5vTTL信号触发CCD相机24，进行发动机缸内图像的采集。
所述的执行器系统Ⅳ由高速电磁阀组22、液压可变气门正时系统23、CCD相机24、激光器25、高速摄像机26和PC计算机27组成，高速电磁阀组22由四个高速电磁阀组成，在光学发动机上摒弃了原有的通过凸轮轴来驱动气门的机械式配气机构，使用了一套不需要损耗发动机动力来驱动的液压可变气门正时系统23，四个高速电磁阀的螺纹口与紧固在液压可变气门正时系统23的电磁阀座顶部的螺纹连接，通过控制四个高速电磁阀22的开闭可以控制发动机进排气门的开闭。CCD相机24经两路信号线分别与激光器25接收端口和PC计算机27的I/O接口连接，实现CCD相机与激光器的同步和相机参数的设置和数据采集。；高速摄像机26的信号线与PC计算机27接收端口连接，实现相机参数的设置和数据采集。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
光电编码器(角标仪)所产生的数字信号一般只输入到燃烧分析仪中进行发动机热力学分析，而我们将光电编码器(角标仪)的数字信号经过信号分配器又将分离出的一路信号又接入了控制器系统的信号控制器中，写在其中的程序利用其准确对应的发动机曲轴转角的脉冲信号进行计数并对外发出方波信号及脉冲信号，对外部液压可变气门正时机构和光学测试系统中的相机进行跟踪曲轴转角的精确控制。能够解决以往由于发动机转速波动，造成的气门动作的相位误差和捕获的照片与曲轴转角无法精确对应的问题。
附图说明
图1为基于光学发动机的同步光学测试系统的结构示意图
图2为信号发生系统Ⅰ的结构示意图
图3为信号滤波系统Ⅱ的结构示意图
图4为控制器系统Ⅲ的结构示意图
图5为执行器系统Ⅳ的结构示意图
图6为同步时序图
其中：Ⅰ.信号发生系统 Ⅱ.信号滤波系统 Ⅲ.控制器系统 Ⅳ.执行器系统 1.光学可视化发动机 2.电脑 3.电子控制单元--ECU 4.燃烧分析仪 5.信号分配器 6.光电编码器--角标仪 7.曲轴位置传感器 8.凸轮轴位置传感器 9.电力测功机 10.数字信号延迟发生器a 11.磁电转换电路 12.滤波电路 13.数字信号延迟发生器b 14. 5v直流电源 15.开关c 16.信号控制器 17.24V直流电源 18.开关d 19.驱动电路 20.通信器21.计算机22.高速电磁阀组 23.液压可变气门正时系统 24.激光器 25.CCD相机26.高速摄像机27.PC计算机
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1所示，本发明由信号发生系统Ⅰ，信号滤波系统Ⅱ，控制器系统Ⅲ，执行器系统Ⅳ组成，其特征在于：信号发生系统Ⅰ中光电编码器--角标仪6的信号线与信号滤波系统Ⅱ中滤波电路12的信号输入端口连接；信号发生系统Ⅰ中电子控制单元ECU3的触发信号输出口与信号滤波系统Ⅱ的磁电转换电路11的信号入口连接；信号滤波系统Ⅱ中数字延迟发生器a10的信号输出端口与控制器系统Ⅲ中信号控制器16的同步信号输入端口连接；信号滤波系统Ⅱ中数字延迟发生器b13的信号输出端口与控制器系统Ⅲ中信号控制器16的触发信号输入引脚连接；控制器系统Ⅲ中驱动电路19的输出端口与执行器系统Ⅳ中高速电磁阀组22的四个高速电磁阀的输入端口连接；控制器系统Ⅲ中信号控制器16的同步信号输出端口分别与执行器系统Ⅳ中高速摄像机26的同步信号输入端口连接；控制器系统Ⅲ中信号控制器16的触发信号输出端口与执行器系统Ⅳ中高速摄像机26和CCD相机24的触发信号输入端口连接。
如图2所示，所述的信号发生系统Ⅰ由光学发动机1、电脑2、电子控制单元--ECU3、燃烧分析仪4、信号分配器5、光电编码器--角标仪6、曲轴位置传感器7、凸轮轴位置传感器8和电力测功机9组成，其中，电力测功机9经联轴器与光学发动机1连接；光电编码器--角标仪6和曲轴位置传感器7通过张紧装置镶嵌在光学发动机1的曲轴延长杆上，凸轮轴位置传感器8经张紧装置镶嵌在光学发动机1凸轮轴延长杆上；光电编码器--角标仪6经信号线与燃烧分析仪4连接，曲轴位置传感器7和凸轮轴位置传感器8经信号线与电子控制单元--ECU3连接，燃烧分析仪4和电子控制单元--ECU3经信号线与电脑2的输入端口连接。
如图3所示，所述的信号滤波系统Ⅱ由数字信号延迟发生器a10、磁电转换电路11、滤波电路12和数字信号延迟发生器b13组成，其中，磁电转换电路11经信号线与数字信号延迟发生器a10的输入端口连接；滤波电路12经信号线与数字信号延迟发生器b13的输入端口连接。
如图4所示，所述的控制器系统Ⅲ由5v直流电源14、开关c15、信号控制器16、24V直流电源17、开关d18、驱动电路19、通信器20和计算机21组成，5v直流电源14的输出端口经电源线和开关c15与信号控制器16的供电接口连接；信号控制器16经四根信号线与驱动电路19的信号接收端连接，24V电源17的输出端口经开关d18，与驱动电路19的供电接口连接；计算机21的I/O接口经通信器20与信号控制器16的下载端口连接。
如图5所示，所述的执行器系统Ⅳ由高速电磁阀组22、液压可变气门正时系统23、CCD相机24、激光器25、高速摄像机26和PC计算机27组成，高速电磁阀组22由四个高速电磁阀组成，四个高速电磁阀的螺纹口与紧固在液压可变气门正时系统23的电磁阀座顶部的螺纹连接，CCD相机24经两路信号线分别与激光器25接收端口和PC计算机27的I/O接口连接；高速摄像机26的信号线与PC计算机27接收端口连接。
如图6所示，其中：A为曲轴信号波形；B为凸轮轴轴信号波形；C为光电编码器(角标仪)6信号波形；D为电子控制单元(ECU)3触发信号经过电磁转换电路后的信号波形；E为信号控制器16发出的触发信号波形；F为信号控制器16触发驱动电路控制进气门信号波形；G为信号控制器16触发驱动电路控制排气门信号波形；H为信号控制器16输出的设定相机拍摄频率的TTL信号。
Claims (5)
1.一种基于光学发动机的同步光学测试系统，由信号发生系统(Ⅰ)，信号滤波系统(Ⅱ)，控制器系统(Ⅲ)，执行器系统(Ⅳ)组成，其特征在于：信号发生系统(Ⅰ)中光电编码器--角标仪(6)的信号线与信号滤波系统(Ⅱ)中滤波电路(12)的信号输入端口连接；信号发生系统(Ⅰ)中电子控制单元(ECU)(3)的触发信号输出口与信号滤波系统(Ⅱ)的磁电转换电路(11)的信号入口连接；信号滤波系统(Ⅱ)中数字延迟发生器a(10)的信号输出端口与控制器系统(Ⅲ)中信号控制器(16)的同步信号输入端口连接；信号滤波系统(Ⅱ)中数字延迟发生器b(13)的信号输出端口与控制器系统(Ⅲ)中信号控制器(16)的触发信号输入引脚连接；控制器系统(Ⅲ)中驱动电路(19)的输出端口与执行器系统(Ⅳ)中高速电磁阀组(22)的四个高速电磁阀的输入端口连接；控制器系统(Ⅲ)中信号控制器(16)的同步信号输出端口分别与执行器系统(Ⅳ)中高速摄像机(26)的同步信号输入端口连接；控制器系统(Ⅲ)中信号控制器(16)的触发信号输出端口与执行器系统(Ⅳ)中高速摄像机(26)和CCD相机(24)的触发信号输入端口连接。
2.按权利要求1所述的基于光学发动机的同步光学测试系统，其特征在于，所述的信号发生系统(Ⅰ)由光学发动机(1)、电脑(2)、电子控制单元--ECU(3)、燃烧分析仪(4)、信号分配器(5)、光电编码器--角标仪(6)、曲轴位置传感器(7)、凸轮轴位置传感器(8)和电力测功机(9)组成，其中，电力测功机(9)经联轴器与光学发动机(1)连接；光电编码器--角标仪(6)和曲轴位置传感器(7)通过张紧装置镶嵌在光学发动机(1)的曲轴延长杆上，凸轮轴位置传感器(8)经张紧装置镶嵌在光学发动机(1)凸轮轴延长杆上；光电编码器--角标仪(6)经信号线与燃烧分析仪(4)连接，曲轴位置传感器(7)和凸轮轴位置传感器(8)经信号线与电子控制单元--ECU(3)连接，燃烧分析仪(4)和电子控制单元--ECU(3)经信号线与电脑(2)的输入端口连接。
3.按权利要求1所述的基于光学发动机的同步光学测试系统，其特征在于，所述的信号滤波系统(Ⅱ)由数字信号延迟发生器a(10)、磁电转换电路(11)、滤波电路(12)和数字信号延迟发生器b(13)组成，其中，磁电转换电路(11)经信号线与数字信号延迟发生器a(10)的输入端口连接；滤波电路(12)经信号线与数字信号延迟发生器b(13)的输入端口连接。
4.按权利要求1所述的基于光学发动机的同步光学测试系统，其特征在于，所述的控制器系统(Ⅲ)由5v直流电源(14)、开关c(15)、信号控制器(16)、24V直流电源(17)、开关d(18)、驱动电路(19)、通信器(20)和计算机(21)组成，5v直流电源(14)的输出端口经电源线和开关c(15)与信号控制器(16)的供电接口连接；信号控制器(16)经四根信号线与驱动电路(19)的信号接收端连接，24V电源(17)的输出端口经开关d(18)，与驱动电路(19)的供电接口连接；计算机(21)的I/O接口经通信器(20)与信号控制器(16)的下载端口连接。
5.按权利要求1所述的基于光学发动机的同步光学测试系统，其特征在于，所述的执行器系统(Ⅳ)由高速电磁阀组(22)、液压可变气门正时系统(23)、CCD相机(24)、激光器(25)、高速摄像机(26)和PC计算机(27)组成，高速电磁阀组(22)由四个高速电磁阀组成，四个高速电磁阀的螺纹口与紧固在液压可变气门正时系统(23)的电磁阀座顶部的螺纹连接，CCD相机(24)经两路信号线分别与激光器(25)接收端口和PC计算机(27)的I/O接口连接；高速摄像机(26)的信号线与PC计算机(27)接收端口连接。
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