馬強(qiáng)，梅衛(wèi)江，石秀峰，吳疆，單志鵬

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院／新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子832003）

長(zhǎng)期以來(lái)，降低柴油機(jī)燃油消耗和減少有害物排放是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更是如此。柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械及各種小型動(dòng)力裝置中的應(yīng)用廣泛，且對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械起到至關(guān)重要的作用，其中S195柴油機(jī)是農(nóng)用機(jī)械，尤其是小四輪拖拉機(jī)和農(nóng)用機(jī)械的主要?jiǎng)恿Γ?－2］。農(nóng)用柴油機(jī)的節(jié)能減排對(duì)提高農(nóng)民收入和減少環(huán)境污染具有一定的實(shí)用價(jià)值。有研究表明乙醇燃料在柴油內(nèi)燃機(jī)中的使用，可減少石油產(chǎn)品的使用量，緩解石油工業(yè)的壓力，降低農(nóng)業(yè)投入，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義［3］，本文就自主研發(fā)的S195農(nóng)用柴油機(jī)柴油／乙醇組合燃燒電控系統(tǒng)中的部分電路展開研究。

1 研究?jī)?nèi)容與研究方法

1.1 研究?jī)?nèi)容

本文對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的濾波電路進(jìn)行研究，這涉及到轉(zhuǎn)速傳感器選取的問(wèn)題。常用的車速傳感器包括電磁感應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、光電式等，其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器屬能量轉(zhuǎn)換型傳感器，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出，無(wú)需媒介源電路，采用變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器［9－10］。變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速的乘積，即

式（1）中：Z 為齒輪的齒數(shù)；N 為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速（r／min）；f為感應(yīng)電勢(shì)頻率（Hz）。

當(dāng)已知Z時(shí)，測(cè)得f再通過(guò)計(jì)算可得N。

1.2 研究方法

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器在組合燃燒電控系統(tǒng)中非常重要。在電控系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)簡(jiǎn)單的工作參數(shù)，而且是計(jì)算電子控制系統(tǒng)其它參數(shù)的依據(jù)和控制噴射正時(shí)的基準(zhǔn)［4－7］。由于來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)往往含有干擾噪聲，不宜直接輸入數(shù)據(jù)采集卡，為了把噪聲干擾衰減到足夠小的程度需要采用濾波電路進(jìn)行濾波處理［8］。

本文采用三次設(shè)計(jì)對(duì)S195農(nóng)用柴油機(jī)柴油／乙醇組合燃燒電控系統(tǒng)中濾波電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路的設(shè)計(jì)

由于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是較高的頻率信號(hào)，所以需要通過(guò)高通濾波器對(duì)頻率低于某一值的信號(hào)進(jìn)行衰減。以下將對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，高通濾波電路如圖1所示。

圖1 高通濾波電路Fig.1 High pass filter circuit

圖1所示濾波電路的傳遞函數(shù)、通帶放大倍數(shù)、截止頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為：

品質(zhì)因數(shù)Q為望目特性，設(shè)計(jì)要求目標(biāo)值為Q＝1。根據(jù)柴油／乙醇組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)要求（起噴工況轉(zhuǎn)速不低于600r／min）和齒輪的齒數(shù)（60齒）設(shè)定工作頻率為100Hz。

1.2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）可控因素水平表。

系統(tǒng)可控參數(shù)為C、R、R1、Rf，由參數(shù)設(shè)計(jì)的非線性原理應(yīng)盡量減少計(jì)算量，所以各因素均取3水平。可控因素水平表如表1所示。

表1 可控因素水平表Tab.1 The levels of controllable factors

（2）內(nèi)外表設(shè)計(jì)。

選取L9（34）作為內(nèi)表進(jìn)行設(shè)計(jì)，把C、R、R1、Rf依次安排在內(nèi)表中，如表2所示。

對(duì)4個(gè)可控因素制定誤差因素水平，按三級(jí)品計(jì)算，假設(shè)三級(jí)品的電阻和電容的波動(dòng)量為±10%，把可控因素水平表給的中心值作為第二水平，中心值×（1±10%）分別作為第一水平和第三水平，以內(nèi)表中第一號(hào)方案為例，R＝14，R1＝1，Rf＝2，C＝0.1相應(yīng)的誤差因素水平如表3所示。

表2 內(nèi)表及SN比數(shù)據(jù)Tab.2 The date of internal table and SNR

表3 誤差因素水平表Tab.3 The levels of the error factors

因有9號(hào)實(shí)驗(yàn)，所以共有9張誤差因素水平表。選用L9（34）作為外表安排誤差因素的試驗(yàn)，按式5計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)每張外表填寫各號(hào)試驗(yàn)下的輸出特性值，又由于本試驗(yàn)為望目特性，根據(jù)信噪比（SN）的計(jì)算公式可算得每號(hào)試驗(yàn)的SN，填入內(nèi)表，如表4所示。

SN的計(jì)算公式如下：

表4 內(nèi)表各號(hào)方案輸出特性值及SN比Tab.4 The output value for every plan of internal table and SNR

1.2.3轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路的容差設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)選出的最佳方案為：

以此方案為第二水平采用三級(jí)品，再按原誤差因素的波動(dòng)范圍設(shè)計(jì)誤差因素水平表，選取L9（34）為外表得出輸出特性值（表5）。

表5 最佳條件的外表及輸出特性值Tab.5 Optimum conditions of external table and output value

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)表的統(tǒng)計(jì)分析

首先計(jì)算出各列SN和T1、T2、T3總和T及其修正項(xiàng)CT，填入表2，然后進(jìn)行SN比的方差分析，結(jié)果見表6。

由表6可知：電容C對(duì)信噪比的影響是顯著的，其次是R1，Rf和R。由于信噪比以大為好，對(duì)照表2可知是第8號(hào)方案，為C3R12Rf1R3，第8號(hào)方案的均值Y＝1.049與目標(biāo)值1很接近，因此不需要進(jìn)行均值校正。

表6 SN比的方差分析Tab.6 Variance analysis of SNR

2.2 方差分析

由于因素的水平是等間隔的，故可用正交多項(xiàng)式分解波動(dòng)平方和，并求出相應(yīng)的貢獻(xiàn)率。方差分析結(jié)果見表7。

表7 輸出特性方差分析表Tab.7 The analysis of variance table for output characteristic

2.3 容差壓縮

本試驗(yàn)是望目特性，目標(biāo)值Q＝1，由表7計(jì)算可知損失函數(shù)為n件產(chǎn)品的平均損失為：

倘若把貢獻(xiàn)率最大的誤差因素R1的容差壓縮一半，則新的貢獻(xiàn)率為：

其平均質(zhì)量損失為：

2.4 結(jié)果

由表5和公式（12）的計(jì)算結(jié)果可知，可控因素的最佳組合為C＝（0.3±0.03）、R＝（16±1.6）、R1＝（2±0.2）、Rf＝（2±0.2）。此組合下輸出特性值與目標(biāo)值偏差最小，且平均損失最小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)組合燃燒柴油機(jī)電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)濾波電路進(jìn)行三次設(shè)計(jì)的優(yōu)化，得到了以下結(jié)論：

（1）將三次設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用到自主研發(fā)的S195農(nóng)用組合燃燒柴油機(jī)電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)上可提高效率和降低成本，并取得良好的擇優(yōu)效果。

（2）通過(guò)三次設(shè)計(jì)的優(yōu)化可使本農(nóng)用發(fā)動(dòng)的電控系統(tǒng)的濾波電路達(dá)到結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)的合理搭配，降低系統(tǒng)的噪音，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

［1］李曉科，紀(jì)威.S195柴油機(jī)二次噴油的改型設(shè)計(jì)［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006，33（4）：78－79.

［2］王春林，梅衛(wèi)江，邊金英，等.基于振動(dòng)信號(hào)的柴油機(jī)氣門間隙異常故障診斷［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，28（1）：114－117.

［3］曹衛(wèi)彬，梅衛(wèi)江，李華，等.棉籽生物柴油的燃燒和排放性能.［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，27（2）：253－255.

［4］錢耀義，錢既佳.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：195－200.

［5］鄧東密，鄧萍.柴油機(jī)噴油系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：251－258.

［6］唐新蓬.現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)的原理及維修［M］.北京：科學(xué)出版社，1998：14－22.

［7］譚文春，粱鋒，肖文囊，等.高壓共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)信號(hào)采集處理模塊的設(shè)計(jì)與研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2004（2）：36－39.

［8］曹陽(yáng).汽油機(jī)電控單元原理機(jī)的研制及控制策略研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009：37－38.

［9］宋國(guó)民，李駿，胡林峰，等.磁感應(yīng)式高壓共軌轉(zhuǎn)速傳感器研制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（3）：291－293.

［10］梁京平.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009：42－43.