賀玉海，詹祖焱，王勤鵬

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展使得其在全工況下的各項(xiàng)性能都有所提升。[1]而電控技術(shù)中最重要的是燃油噴射技術(shù)，燃油噴射系統(tǒng)需要確保品質(zhì)(高壓噴射與噴油規(guī)律)、數(shù)量(噴油量控制)、時(shí)間(噴油始點(diǎn)與持續(xù)期)和可靠性等方面滿足與柴油機(jī)整機(jī)的匹配要求。[2]

在測試船用低速機(jī)電控燃油系統(tǒng)方面，國外一些內(nèi)燃機(jī)研發(fā)領(lǐng)域廠商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已有成熟的試驗(yàn)臺(tái)架以及與之相配套的監(jiān)測系統(tǒng)，具有代表性的有德國FEV公司的MIO系統(tǒng)、奧地利李斯特公司的AVL Fuel Reference系統(tǒng)[3]。這兩個(gè)系統(tǒng)都有著測量精度高、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但需要在與之配套試驗(yàn)臺(tái)上使用，不能移植到自主開發(fā)的船用電控燃油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上。

我國在車用柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的試驗(yàn)研究方面開展了大量工作，而在船用柴油機(jī)方面，尚處于研發(fā)階段，未有成熟的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品[4]。對此，在研制一套船用低速柴油機(jī)電控燃油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的同時(shí)，開發(fā)相配套的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過同步采集燃油軌壓、電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)、曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)和噴油壓力等信號(hào)，可整體分析評價(jià)燃油系統(tǒng)的工作狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)在FPGA底層使用了兩種可實(shí)時(shí)切換的采集機(jī)制，滿足信號(hào)等時(shí)間或等曲柄轉(zhuǎn)角兩種不同采集條件，為優(yōu)化船用低速機(jī)電控燃油系統(tǒng)提供了技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)臺(tái)硬件研制

在船用低速機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)中，想要高精度的控制高壓燃油噴射是非常困難的，需要燃油系統(tǒng)各個(gè)部件的精確匹配及總體調(diào)控[5]。僅憑噴油器的噴油狀態(tài)無法評價(jià)整個(gè)電控燃油系統(tǒng)，因此需同時(shí)監(jiān)測燃油系統(tǒng)各組成部件的工作狀態(tài)(如：軌壓波動(dòng)、啟噴壓力、噴油電磁閥的啟閉時(shí)刻、噴油器的針閥升程及累計(jì)燃油噴射量等)。

為評價(jià)低速機(jī)燃油系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)以及可靠性，試驗(yàn)臺(tái)必須要監(jiān)測的性能指標(biāo)和輸出的控制參數(shù)至少包括：①監(jiān)測燃油系統(tǒng)的軌壓、噴油器針閥升程、噴油器啟噴壓力等信號(hào)；②監(jiān)測噴油器的燃油噴射量；③監(jiān)測噴油電磁閥的性能；④輸出ECU控制信號(hào)。

為實(shí)現(xiàn)上述需求，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該包含如下4項(xiàng)功能：①信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理功能；②單次與累計(jì)循環(huán)噴油量的精確計(jì)量；③控制噴油器電磁閥的啟閉(控制噴油)；④能接收ECU的控制信號(hào)，并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確響應(yīng)。

試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，其中監(jiān)測系統(tǒng)包含上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)框架

監(jiān)測系統(tǒng)控制伺服油電機(jī)與燃油電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中伺服油與燃油的壓力。通過控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，模擬低速機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過光電編碼器ABZ三相輸出，采集轉(zhuǎn)速和上止點(diǎn)信號(hào)，作為控制燃油噴射單元的基準(zhǔn)信號(hào)。燃油噴射單元接收到監(jiān)測系統(tǒng)的噴射信號(hào)，控制電控噴油器中的電磁閥開始噴油，噴油器噴出的燃油經(jīng)過冷卻系統(tǒng)冷卻、收集，最終流入油量測量機(jī)構(gòu)測取燃油質(zhì)量。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)采集電控噴油模塊信號(hào)并計(jì)算出單次噴射的燃油重量，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)控制輸出與采集的信號(hào)與單次噴射燃油重量可綜合分析電控燃油系統(tǒng)的性能參數(shù)。

2 試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)選用美國NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)，LabVIEW建立在易于使用與理解的圖形編程語言上，使得其在測試與測量、過程控制、工業(yè)自動(dòng)化和實(shí)驗(yàn)室研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

為了監(jiān)測系統(tǒng)能精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)上述功能，監(jiān)測系統(tǒng)的硬件同樣選用的是美國NI公司的產(chǎn)品，設(shè)備類型、數(shù)量和主要性能如表1所示。試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)采集通道布置如圖2所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置

對試驗(yàn)臺(tái)中需要同步的性能參數(shù)使用NI 9220同步采集卡，如：控制噴油信號(hào)、噴油器壓力、針閥升程等。而對于一些非同步要求的輔助信號(hào)使用NI 9203采集卡采集，以減低試驗(yàn)臺(tái)研制成本；選用NI 9263采集卡模擬量輸出信號(hào)以控制噴油電磁閥驅(qū)動(dòng)，而轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集選用NI 9411板塊采集光電編碼器的脈沖信號(hào)。

監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包含信號(hào)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存、控制信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)回放等，其各功能執(zhí)行流程如圖3所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)采集通道設(shè)置

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)程序執(zhí)行流程

2.1 采集機(jī)制的切換機(jī)制設(shè)計(jì)

為精確、全面測試電控燃油噴射系統(tǒng)的性能，試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)配置高頻采樣率來采集信號(hào)，通過高頻采樣率采集的信號(hào)，可以精確計(jì)量電控燃油系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)各個(gè)部件延遲響應(yīng)的時(shí)間，可以分析采集的信號(hào)針對燃油系統(tǒng)每一部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。電控燃油噴射系統(tǒng)性在試驗(yàn)臺(tái)完成配機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證、并滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)之后，才能將電控燃油系統(tǒng)安裝到低速機(jī)實(shí)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)測試。而實(shí)機(jī)測試時(shí)需要根據(jù)低速機(jī)每個(gè)做功循環(huán)來整體評價(jià)燃油系統(tǒng)的匹配性能，因此需要使用每個(gè)做功循環(huán)顯示一次所采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速越快，顯示的刷新頻率也越快，已無法繼續(xù)使用設(shè)置的采樣率采集數(shù)據(jù)。因此本試驗(yàn)臺(tái)采用觸發(fā)采集模式，即低速機(jī)每一次循環(huán)，監(jiān)測系統(tǒng)讀取一次數(shù)據(jù)。

綜上所述，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該包含設(shè)置采樣率采集模式(適用于燃油系統(tǒng)平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證)與觸發(fā)采集模式(適用于燃油系統(tǒng)實(shí)機(jī)配機(jī)試驗(yàn))兩種可靈活切換的采集機(jī)制，如圖4所示。監(jiān)測系統(tǒng)默認(rèn)使用等時(shí)間采樣(通過設(shè)置采樣率實(shí)現(xiàn))進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)程序捕捉到上位機(jī)切換采集模式這個(gè)動(dòng)作后，程序通過采集光電編碼器ABZ三項(xiàng)信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)速，判定當(dāng)前的轉(zhuǎn)速是否不等于零(若轉(zhuǎn)速等于零，光電編碼器的ABZ三項(xiàng)信號(hào)不會(huì)改變，采集無法開始，沒有數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)程序會(huì)處于無限等待的狀態(tài))，程序會(huì)提示“無法進(jìn)行切換操作”，轉(zhuǎn)回默認(rèn)的等時(shí)間采樣。若轉(zhuǎn)速不等于零，則程序的FPGA底層就會(huì)進(jìn)行切換，隨后清空原FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)，再將采集的數(shù)據(jù)輸入FIFO，此時(shí)上位機(jī)讀取FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)為切換采集后的數(shù)據(jù)。上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，就可以還原真實(shí)的物理量信號(hào)。使用這種機(jī)制就可以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)采集與等時(shí)間采樣的靈活切換。

圖4 兩種采集機(jī)制切換

監(jiān)測系統(tǒng)程序的FPGA底層切換程序使用了順序結(jié)構(gòu)。首先判斷是否使用觸發(fā)采集，若不為觸發(fā)采集則此幀為空，執(zhí)行順序結(jié)構(gòu)的下一幀，在下一幀中的程序是在 While循環(huán)中運(yùn)行，通過設(shè)定每個(gè)循環(huán)的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)采集的采樣率；當(dāng)切換到觸發(fā)采集時(shí)，程序會(huì)結(jié)束當(dāng)前的While循環(huán)，返回順序結(jié)構(gòu)的第一幀，等待編碼器的Z相信號(hào)作為一循環(huán)的開始，當(dāng)接收到Z相信號(hào)時(shí)，便開始按照編碼器的A、B相脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采集，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO中。本文所使用編碼器的脈沖數(shù)為3 000，于是在捕捉到Z相脈沖信號(hào)后，計(jì)數(shù)A/B相的脈沖信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)3 000時(shí)為一圈，又開始等待下一個(gè)Z相信號(hào)作為觸發(fā)。

2.2 大量數(shù)據(jù)回放處理技術(shù)研究

電控燃油噴射系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)需要采集32路信號(hào)，其中燃油噴射后針閥落座產(chǎn)生的壓力波信號(hào)可高達(dá)12.5 kHz，根據(jù)信號(hào)的采樣定理如下。

fs>2fmax，

(1)

式中：fs表示信號(hào)的采樣頻率；fmax表示信號(hào)頻率成分中最高頻率。

為了保證采集信號(hào)不失真，設(shè)置的采樣頻率不得低于25 kHz，且要求同步采集32路信號(hào)必須所有通道的采樣率設(shè)置必須一致，才能保證在采集的時(shí)候不丟失數(shù)據(jù)。在采用NI公司推薦的TDMS文件格式保存，其長時(shí)間的數(shù)據(jù)保存會(huì)形成數(shù)據(jù)量很大的單個(gè)文件，要能實(shí)現(xiàn)文件的快速讀取并進(jìn)行顯示以及處理存在硬件和軟件資源上的困難[6]。例如，在實(shí)際的試驗(yàn)中設(shè)定信號(hào)的采樣頻率為30 kHz，連續(xù)保存半個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)量達(dá)到5GB以上。對于如此大數(shù)據(jù)量且包含了32路不同的信號(hào)，如果使用常規(guī)的打開方式對于如此大量的數(shù)據(jù)會(huì)造成計(jì)算機(jī)使用內(nèi)存不足而報(bào)錯(cuò)，即使用Matlab等工具處理也會(huì)出現(xiàn)同樣的問題，且Matlab在處理數(shù)據(jù)時(shí)的實(shí)時(shí)性不如LabVIEW[7]。

對大數(shù)據(jù)分析最直觀的就是使用圖表(如同示波器)的方式來顯示和分析。因此，在設(shè)計(jì)保存數(shù)據(jù)讀取時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)讀取方式：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)讀取(如圖5所示)。兩種方式都是采取將數(shù)據(jù)分塊，將一個(gè)文件切分成所需要小塊數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取顯示。其中靜態(tài)讀取又可再細(xì)分為兩種讀取方式，一種為顯示所有信號(hào)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，如：一次顯示所有信號(hào)十個(gè)周期的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)需要再往后讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)；另一種為只顯示單通道信號(hào)所儲(chǔ)存的所有數(shù)據(jù)，所讀取的數(shù)據(jù)量為原來的1/32，且能很清楚的觀測到此信號(hào)隨時(shí)間推移的變化情況。對于動(dòng)態(tài)讀取方式，其數(shù)據(jù)的回放就如同采集一樣，程序每次讀取的數(shù)據(jù)為每秒鐘采集的數(shù)據(jù)，下一循環(huán)讀取的是上一次循環(huán)結(jié)束的點(diǎn)，通過控制程序的循環(huán)時(shí)間，可以調(diào)節(jié)波形圖的刷新的速率，以數(shù)據(jù)流盤的形式，從一個(gè)大的數(shù)據(jù)文件讀取一段數(shù)據(jù)分析，讀取完這段數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)又接著往下讀取數(shù)據(jù)，釋放之前所讀取的數(shù)據(jù)，這樣能保證每次內(nèi)存中只有當(dāng)前顯示的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)內(nèi)容是不斷變化的。

圖5 兩種數(shù)據(jù)查看方式

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與儀器的試驗(yàn)驗(yàn)證

使用上海藍(lán)羿科技的MR9270S多功能信號(hào)發(fā)生器發(fā)出頻率為5.3 Hz，占空比為20%的脈沖方波信號(hào)；使用監(jiān)測系統(tǒng)采集該信號(hào)是否為信號(hào)發(fā)生器所發(fā)出的信號(hào)。同時(shí)使用Tektronix THS3914示波器測量該信號(hào)?？梢姳O(jiān)測系統(tǒng)與示波器采集的信號(hào)一致，可說明監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)采集是準(zhǔn)確的。

3.2 電控燃油噴射系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

在低速柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)上，采用說開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行性能測試，并從測試結(jié)果分析噴油系統(tǒng)的性能。為了方便觀看分析，選取了對幾路重要的傳感器信號(hào)進(jìn)行集中顯示(如處于增壓活塞的兩端的增壓后燃油壓力和增壓活塞驅(qū)動(dòng)壓力)。在發(fā)出增壓控制信號(hào)后30 ms，增壓閥芯開始動(dòng)作，共軌管內(nèi)的伺服油進(jìn)入增壓活塞下方，對低壓燃油進(jìn)行增壓。低壓燃油增壓后變成高壓燃油，當(dāng)燃油大于噴油器的啟噴壓力時(shí)，開始噴射燃油。

除了可以對試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)進(jìn)行總體分析，還可以逐一分析單路信號(hào)，以分析試驗(yàn)臺(tái)各部件的性能參數(shù)。

1)給出增壓控制信號(hào)后，在電流達(dá)到峰值過后會(huì)有一小段時(shí)間的跌落，分析其原因是供電電流將閥芯拉動(dòng)后，閥芯電磁力大于閥芯打開位置受到的彈簧機(jī)械力，彈簧繼續(xù)壓縮后機(jī)械拉力大于電磁力產(chǎn)生閥芯反彈，引起電抗變大，引起電流陷落。

2)在增壓控制信號(hào)30 ms后，增壓活塞才開始動(dòng)作對燃油進(jìn)行增壓。其原因是作用在增壓閥上的激勵(lì)電流陷落，使增壓閥不能及時(shí)打開，等到激勵(lì)過程快結(jié)束時(shí)，增壓閥才完全開啟，伺服油進(jìn)入大頭增壓活塞，對燃油進(jìn)行增壓。

3)在增壓時(shí)共軌管壓力有20 MPa，在增壓活塞動(dòng)作時(shí)，增壓活塞驅(qū)動(dòng)(伺服油)壓力為15.5 MPa，增壓后的燃油壓力為47 MPa，符合設(shè)計(jì)增壓比(活塞大小頭的面積比為3)。分析噴油壓力比增壓后燃油壓力低的原因是增壓后的燃油到達(dá)噴油器還要經(jīng)過一段高壓油管，由于高壓油管內(nèi)的殘余高壓油的作用導(dǎo)致油壓變低。增壓動(dòng)作結(jié)束后，增壓活塞的兩端都存在壓力波動(dòng)(回彈)，則是由于后續(xù)的油液碰撞后產(chǎn)生的壓力波振蕩。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架，對船用低速機(jī)電控燃油系統(tǒng)做了性能測試試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。①試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的采集、顯示和分析各信號(hào)的功能；②監(jiān)測系統(tǒng)使用了兩種不同的信號(hào)采集機(jī)制，并可自由切換，使得在測試分析燃油系統(tǒng)的性能分析時(shí)更加的精確；③試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)能有效的采集和保存多通道、高采樣率并滿足同步采集要求，且可以直觀的回放保存的數(shù)據(jù)；④試驗(yàn)臺(tái)能準(zhǔn)確的測試低速機(jī)電控燃油系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)，監(jiān)測系統(tǒng)可綜合各路信號(hào)對比分析，為優(yōu)化電控燃油系統(tǒng)提供試驗(yàn)條件。