楊鐵皂，王新陽(yáng)，王昌盛，薛海波

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003）

摩托車電控汽油機(jī)噴油提前角測(cè)試

楊鐵皂，王新陽(yáng)，王昌盛，薛海波

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003）

針對(duì)目前摩托車等汽油機(jī)的噴油提前角測(cè)量中存在的精度不高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等原因，介紹了基于MP424數(shù)據(jù)采集卡的摩托車電控噴油系統(tǒng)中關(guān)于噴油提前角的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用MP424數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，使用LabVIEW編寫噴油提前角測(cè)量軟件，取得了良好的效果。研究結(jié)果表明：本方法具有測(cè)試精度高、測(cè)試時(shí)間短和可以在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)處理；MP 424；噴油提前角

0 引言

隨著摩托車排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，摩托車汽油機(jī)的稀燃技術(shù)得到了應(yīng)用。稀燃技術(shù)要求汽油機(jī)電控，控制參數(shù)更加嚴(yán)格，其中，噴油提前角的控制就是一例［1－2］。噴油提前角影響著電控汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能、排放性能等眾多的性能指標(biāo)［3－4］，不像普通電噴汽油機(jī)一樣對(duì)噴油提前角無(wú)嚴(yán)格的要求。目前，對(duì)噴油提前角的測(cè)量方法還是在曲軸上作個(gè)上止點(diǎn)記號(hào)，運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)讓發(fā)動(dòng)機(jī)噴油，就在剛噴油的那一刻，曲軸上現(xiàn)位置到上止點(diǎn)位置曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，即為噴油提前角［5］。此種方法精度較低，速度慢，且不能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量，嚴(yán)重影響驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性和精確性。

本文提出一種利用MP424對(duì)摩托車汽油機(jī)的曲軸信號(hào)、凸輪信號(hào)和噴油信號(hào)的高速采集、實(shí)時(shí)傳輸及相應(yīng)的快速數(shù)字信號(hào)處理，能夠方便快捷地針對(duì)具體信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得出噴油提前角，取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)硬件

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。MP424采集原型信號(hào)并做初步處理，再傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)軟件處理后把結(jié)果顯示出來(lái)。

摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較高，最高速度可達(dá)10 000 r／min，其曲軸信號(hào)等變化更快，一般的示波器難以準(zhǔn)確地采集到這些信號(hào)。MP424是高速12位4路并行采樣AD模塊。MP424最大的特點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)速度快，它支持1 MHz的連續(xù)采集，最大采集長(zhǎng)度為256 M點(diǎn)／通道，其可支持全速、連續(xù)大容量采樣，數(shù)據(jù)可先存入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，采樣結(jié)束后，用戶可以分段將數(shù)據(jù)讀出［6］。圖2a～圖2c分別為所采集的凸輪軸信號(hào)、曲軸信號(hào)和噴油信號(hào)。凸輪軸信號(hào)一個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，它標(biāo)志著這一循環(huán)的開(kāi)始。曲軸信號(hào)每一轉(zhuǎn)一個(gè)缺齒，每個(gè)脈沖信號(hào)之間的曲軸角度是8°。噴油信號(hào)也是一個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 噴油提前角計(jì)算模型

噴油提前角的計(jì)算模型示意圖如圖3所示。圖3中，凸輪軸信號(hào)、曲軸信號(hào)和噴油信號(hào)的真實(shí)情況如圖2所示，在此僅作為示意圖使用。凸輪軸信號(hào)是一個(gè)循環(huán)的起點(diǎn)。一旦出現(xiàn)凸輪軸信號(hào)，計(jì)算機(jī)就開(kāi)始判斷曲軸信號(hào)的缺齒位置；然后判斷上止點(diǎn)位置，上止點(diǎn)位置在曲軸信號(hào)缺齒位置后第13個(gè)脈沖的上升沿；而噴油信號(hào)是比較明顯的，從噴油信號(hào)的上升沿到上止點(diǎn)位置之間曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度為噴油提前角。

圖2 MP424采集到的信號(hào)

2.2 測(cè)量流程圖

噴油提前角測(cè)量流程圖如圖4所示。在介紹流程圖之前，需要先說(shuō)明一下分頻信號(hào)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，噴油提前角是以1°曲軸轉(zhuǎn)角為單位的，而每個(gè)曲軸信號(hào)是8°曲軸轉(zhuǎn)角，這在處理上帶來(lái)很大的不方便。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用將曲軸信號(hào)分頻的辦法，即將曲軸信號(hào)8分頻而成為1°曲軸轉(zhuǎn)角一個(gè)信號(hào)，將曲軸信號(hào)8分頻后的信號(hào)稱為分頻信號(hào)。

在處理過(guò)程中，當(dāng)LabVIEW軟件檢測(cè)到凸輪軸信號(hào)來(lái)臨后，首先將曲軸信號(hào)、噴油信號(hào)、分頻信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊。然后，一方面，對(duì)噴油信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到噴油信號(hào)上升沿位置時(shí)，啟動(dòng)分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，此位置是噴油時(shí)刻；另一方面，開(kāi)始檢測(cè)曲軸信號(hào)的缺齒位置，當(dāng)檢測(cè)到缺齒位置后，開(kāi)始對(duì)缺齒位置后的13個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)?3個(gè)脈沖信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí)，停止分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，此位置為上止點(diǎn)位置。此時(shí)分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)計(jì)數(shù)器計(jì)得數(shù)即為噴油提前角。最后取出噴油提前角，經(jīng)過(guò)后處理，在前面板中顯示出噴油提前角來(lái)。

圖3 噴油提前角計(jì)算模型示意圖

2.3 幾個(gè)核心模塊的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)噴油提前角的測(cè)量流程，缺齒位置檢測(cè)、上止點(diǎn)位置判斷、分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)等幾個(gè)核心模塊，需要簡(jiǎn)要介紹一下。

2.3.1 曲軸缺齒位置檢測(cè)

缺齒位置檢測(cè)如圖5所示。曲軸信號(hào)的缺齒位置是利用每個(gè)脈沖低電平的寬度來(lái)判斷的，設(shè)定一個(gè)正常的曲軸信號(hào)低電平寬度，將每個(gè)曲軸信號(hào)的脈沖低電平寬度和正常曲軸信號(hào)低電平寬度進(jìn)行比較，如果檢測(cè)到的曲軸信號(hào)低電平寬度大于正常值，則它就是缺齒位置。事實(shí)上，缺齒位置就是通過(guò)判斷脈沖信號(hào)低電平之間的脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖4 噴油提前角測(cè)量流程圖

曲軸信號(hào)缺齒位置的判斷在LabVIEW程序中采用while循環(huán)檢測(cè)，采用for循環(huán)對(duì)曲軸信號(hào)的脈沖數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便逐次送進(jìn)脈沖進(jìn)行檢測(cè)［7］；其中，LabVIEW中脈沖測(cè)量控件用脈沖的極性高低來(lái)選擇，使用高脈沖時(shí)測(cè)量出的縱坐標(biāo)數(shù)值大，代表著信號(hào)即將開(kāi)始下降，對(duì)應(yīng)著信號(hào)的下降沿；使用低脈沖時(shí)測(cè)量出的縱坐標(biāo)數(shù)值小，代表著信號(hào)即將開(kāi)始上升，對(duì)應(yīng)著信號(hào)的上升沿［8］。

2.3.2 上止點(diǎn)位置判斷

上止點(diǎn)位置的判斷如圖6所示。檢測(cè)到缺齒位置之后，需要對(duì)缺齒位置之后的曲軸信號(hào)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)缺齒位置后第13個(gè)上升沿位置的判斷，即上止點(diǎn)位置的判斷。對(duì)第13個(gè)齒的判斷同樣采用while循環(huán)，在缺齒位置檢測(cè)到之后立即進(jìn)行脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，循環(huán)條件是while循環(huán)的循環(huán)次數(shù)為12次，同時(shí)利用脈沖測(cè)量控件中電平高低來(lái)實(shí)現(xiàn)第13齒的低電平上升沿，即上止點(diǎn)位置的檢測(cè)。

圖5 缺齒位置檢測(cè)

圖6 上止點(diǎn)位置判斷

2.3.3 分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)

圖7 分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)

分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)如圖7所示。分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)用while循環(huán)，開(kāi)始計(jì)數(shù)是噴油脈沖上升沿位置即噴油開(kāi)始位置，停止計(jì)數(shù)在上止點(diǎn)位置，測(cè)量出此階段分頻信號(hào)的個(gè)數(shù)。由于分頻信號(hào)一個(gè)脈沖是一度曲軸轉(zhuǎn)角，因此分頻信號(hào)的個(gè)數(shù)即是噴油提前角，見(jiàn)圖3。

分頻信號(hào)的來(lái)源是曲軸信號(hào)，所以可以用脈沖測(cè)量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)的測(cè)量。其中重要的是循環(huán)條件，是在噴油開(kāi)始時(shí)刻讓循環(huán)條件滿足計(jì)數(shù)條件，開(kāi)始計(jì)數(shù)，在上止點(diǎn)位置處再停止計(jì)數(shù)，見(jiàn)圖7。

由于一般不能保證在上止點(diǎn)位置正好和分頻脈沖信號(hào)的上升沿或下降沿重合，所以分頻信號(hào)個(gè)數(shù)測(cè)量存在誤差，但是這個(gè)誤差非常小，可以忽略不計(jì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)是在汽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行的，每組數(shù)據(jù)采集僅需要大約0.01 s［9］。

采集到幾組數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，表1是對(duì)幾組噴油提前角進(jìn)行整理后的數(shù)值。

表1 實(shí)測(cè)和理論噴油提前角

圖8 噴油提前角理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，特意把軟件中的MAP圖中的噴油提前角列出，將MAP圖中的噴油提前角稱為理論噴油提前角［10］。把噴油提前角的理論值和實(shí)測(cè)值放在一起對(duì)比，如圖8所示。

噴油提前角理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：理論噴油提前角和實(shí)測(cè)噴油提前角沒(méi)有太大差別。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，測(cè)量精度有了很大的提高，并且其測(cè)量難度大大降低，提高了測(cè)試效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用摩托車測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)摩托車的噴油提前角進(jìn)行測(cè)量與分析，并和控制系統(tǒng)軟件的MAP圖模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。從試驗(yàn)結(jié)果上看：測(cè)試數(shù)據(jù)和MAP圖模型數(shù)據(jù)基本是一致的，說(shuō)明精度是比較高的。從時(shí)間上來(lái)看：測(cè)試時(shí)間很短，只有0.01 s左右，比較快速。測(cè)量不影響汽油機(jī)運(yùn)行，完全適用于在線檢測(cè)。從總體上來(lái)看，信號(hào)測(cè)量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的。

［1］ 白木，周潔.現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃技術(shù)［J］.山東農(nóng)機(jī)，2003（3）：13－15.

［2］ 李志軍，劉書(shū)亮，林建生，等.車用汽油機(jī)稀燃及其凈化技術(shù)［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2001（2）：59－63.

［3］ 張小玉，劉福水，何旭，等.噴油定時(shí)對(duì)汽／柴油混合燃料燃燒影響的可視化研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014（5）：393－398.

［4］ 黃雅卿，王志，王建昕.噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物排放的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014（5）：420－425.

［5］ 海方玉.柴油機(jī)供油正時(shí)的檢測(cè)［J］.黑龍江交通科技，2011（8）：216.

［6］ 郝建亮，張彥江，陳志勇，等.便攜式機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（5）：70－72.

［7］ 胡仁喜，王恒海，齊東明.LabBIEW 8.2.1虛擬儀器實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［8］ 向科峰.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011（4）：191－192.

［9］ 劉炳國(guó)，趙以強(qiáng).電控汽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（5）：14－16.

［10］ 韓冰源.基于MAP汽油發(fā)動(dòng)機(jī)富氧進(jìn)氣控制方法的研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2013：37－60.

TK413.9

A

1672－6871（2015）05－0042－04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50976076）

楊鐵皂（1955－），男，河南溫縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)電控.

2015－05－04