廖 威

（上海神開(kāi)石油儀器有限公司，上海 201114）

0 引言

十六烷值是判斷柴油著火性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1,2]，是柴油進(jìn)入到市場(chǎng)前的必檢項(xiàng)目。目前，國(guó)內(nèi)測(cè)量柴油十六烷值方法有模擬法、等容燃燒室法、風(fēng)量法等，但壓縮比法測(cè)量（GBT 386-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法）是目前唯一一種仲裁方法。目前，中石化、中石油以及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)普遍使用WAUKESHA柴油十六烷值測(cè)定機(jī)來(lái)評(píng)定柴油樣品。因進(jìn)口儀器價(jià)格昂貴、售后服務(wù)響應(yīng)周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)顯示不夠直觀、流量測(cè)量以及噴油角度調(diào)整對(duì)操作員熟練程度要求高等因素，開(kāi)展了全新一代國(guó)產(chǎn)柴油十六烷值機(jī)的研究。

1 儀器設(shè)計(jì)原理

將柴油樣本通過(guò)電控泵-噴槍噴入封裝式單缸四沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，與過(guò)濾并加熱后的空氣進(jìn)行混合，通過(guò)調(diào)節(jié)小活塞行程來(lái)控制燃燒室容積，即調(diào)節(jié)壓縮比，實(shí)現(xiàn)柴油或標(biāo)油的壓燃。其中，電控泵為柱塞式電控泵，其噴射動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸提供，建壓時(shí)間點(diǎn)由十六烷值機(jī)主控單元控制。電控泵建壓，將燃油通過(guò)電控泵-高壓油管噴射至噴槍，噴油壓力到達(dá)噴槍開(kāi)啟壓力后，噴槍打開(kāi)，將燃油噴射霧化后至發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中。噴槍尾部安裝噴油傳感器，檢測(cè)噴槍開(kāi)啟時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)控制電控泵建壓時(shí)間點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)噴槍打開(kāi)時(shí)間點(diǎn)，即噴油時(shí)間點(diǎn)，其中時(shí)間點(diǎn)以曲軸度數(shù)表示，噴油時(shí)間點(diǎn)控制在上止點(diǎn)前13°±0.1°。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室安裝爆震傳感器，檢測(cè)燃油燃燒時(shí)間點(diǎn)。燃燒時(shí)間點(diǎn)與噴油時(shí)間點(diǎn)之前的時(shí)間差換算成曲軸角度，即著火滯后期，通過(guò)調(diào)節(jié)手輪、改變壓縮比，將著火滯后期調(diào)整至13°±0.2°，讀出此時(shí)的手輪讀數(shù)。測(cè)量柴油十六烷值還需兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)燃料油按照同樣方法測(cè)出手輪讀數(shù)，然后通過(guò)《GBT 386-2010柴油十六烷值測(cè)定法》提供的內(nèi)插法計(jì)算出柴油十六烷值。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框圖

電氣整體框圖如圖2所示，工況檢測(cè)傳感器是用于檢測(cè)系統(tǒng)溫度、壓力等的傳感器。其中，溫度采用Pt100來(lái)檢測(cè)，MCU控制進(jìn)氣加熱管輸出功率，應(yīng)用PID算法，控制在66℃±0.5℃。凸輪軸傳感器用于檢測(cè)凸輪軸相位。噴油傳感器和爆震傳感器是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，二者配合檢測(cè)燃油著火滯后期。激光位移傳感器用于檢測(cè)小活塞手輪讀數(shù)，該傳感器檢測(cè)精度直接影響試驗(yàn)結(jié)果。流量檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)噴油流量。MCU與工業(yè)平板電腦通過(guò)RS232串口通訊來(lái)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

圖2 電氣系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of electrical design

2.2 噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

2.2.1 噴油時(shí)序的研究

噴油系統(tǒng)是柴油十六烷值測(cè)定機(jī)設(shè)計(jì)的核心。圖3為信號(hào)檢測(cè)示意圖，信號(hào)盤安裝在凸輪軸上，旋轉(zhuǎn)方向如圖3箭頭所示。信號(hào)盤上設(shè)計(jì)兩個(gè)缺口，兩個(gè)缺口均在上止點(diǎn)前。凸輪軸相位傳感器檢測(cè)到缺口后，信號(hào)發(fā)生突變，MCU捕捉突變信號(hào)的上升沿，來(lái)定位凸輪軸當(dāng)前位置。兩個(gè)缺口的上升沿之間的夾角是固定的，本設(shè)計(jì)中夾角為40°。第二個(gè)缺口的上升沿用于定位噴油系統(tǒng)的基準(zhǔn)位置，該位置可通過(guò)標(biāo)定獲得。

圖3 信號(hào)檢測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of signal detection

圖4為噴油系統(tǒng)工作時(shí)序圖。通過(guò)對(duì)時(shí)序圖各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的解剖來(lái)分析噴油系統(tǒng)工作過(guò)程。

圖4 噴油系統(tǒng)工作時(shí)序圖Fig.4 Working sequence diagram of fuel injection system

1）基準(zhǔn)位置到后，MCU計(jì)算當(dāng)前每轉(zhuǎn)1度需要的時(shí)間ΔΦ=40/T0。

2）建壓時(shí)間點(diǎn)由系統(tǒng)給定，為可變角度值，本文中用A表示該值，則T1=A/ΔΦ。MCU內(nèi)部計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后，MCU控制電控泵內(nèi)部電磁閥動(dòng)作，開(kāi)始建壓。

3）電控泵從開(kāi)始建壓到達(dá)到噴槍噴嘴開(kāi)啟的壓力之前的時(shí)間段稱為建壓時(shí)間，該時(shí)間與油品的粘度、密度以及環(huán)境溫濕度有關(guān)。

4）建壓時(shí)間到后，噴槍噴嘴打開(kāi)，燃油噴出，此時(shí)噴油傳感器輸出突變脈沖?；鶞?zhǔn)位置由系統(tǒng)給定，為對(duì)應(yīng)上止點(diǎn)角度，本文中用B表示。噴油時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度與上止點(diǎn)之間的角度差稱為噴油角度，本文中用C表示噴油角度，則C=B-T3×ΔΦ。

5）燃油噴到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室之后，與加熱后的空氣混合，經(jīng)過(guò)一個(gè)壓燃的過(guò)程，直至燃燒，產(chǎn)生爆震。從噴油時(shí)間點(diǎn)到爆震時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度差稱為著火滯后期，本文中用D表示，則D=T4×ΔΦ。

2.2.2 噴油角度自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整電控泵建壓時(shí)間點(diǎn)，從而實(shí)時(shí)控制噴油角度在上止點(diǎn)前13°±0.2°，具體調(diào)整方式如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)調(diào)整噴油角度框架圖Fig.5 The frame of dynamic adjustment for injection angle

在柴油樣品評(píng)定中，油品的粘度、密度、環(huán)境溫度，以及噴槍的機(jī)械摩擦均會(huì)對(duì)噴油角度產(chǎn)生影響，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)控并調(diào)整噴油角度的方法，確保燃油每個(gè)周期噴出的時(shí)間點(diǎn)一致，為后續(xù)著火滯后期準(zhǔn)確判定提供保障。同時(shí)，為驗(yàn)證系統(tǒng)捕捉的噴油角度與實(shí)際是否吻合，本設(shè)計(jì)中在上止點(diǎn)處安裝光電傳感器，用于檢測(cè)上止點(diǎn)信號(hào)，用示波器觀察噴油信號(hào)與上止點(diǎn)信號(hào)，如圖6所示。該波形捕捉時(shí)電腦顯示噴油角度為上止點(diǎn)前12.97°，來(lái)驗(yàn)證波形顯示是否一致。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900r/min，基本穩(wěn)定，則每度對(duì)應(yīng)的時(shí)間是185.19us，波形上噴油信號(hào)與上止點(diǎn)信號(hào)時(shí)間差約在2400us，計(jì)算的噴油角度為12.96°，與顯示值基本一致。

圖6 噴油處理信號(hào)與上止點(diǎn)信號(hào)波形圖Fig.6 Waveform of injection processing signal and TDC signal

2.3 關(guān)鍵模塊的研究與設(shè)計(jì)

2.3.1 噴油信號(hào)檢測(cè)

噴槍尾部安裝噴油感應(yīng)針，噴槍噴嘴打開(kāi)，噴油感應(yīng)針動(dòng)作，噴油檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)噴油感應(yīng)針動(dòng)作的起始時(shí)刻來(lái)檢測(cè)燃油起噴時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)法拉第感應(yīng)定律設(shè)計(jì)噴油信號(hào)檢測(cè)模塊，如圖7所示。噴油感應(yīng)針動(dòng)作，穿過(guò)線圈的磁通量變化，在線圈上產(chǎn)生一個(gè)微弱的電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率成正比[3]。

圖7 噴油檢測(cè)模塊示意圖Fig.7 Schematic diagram of fuel injection detection

圖8為噴油信號(hào)與處理后信號(hào)波形圖，噴油信號(hào)為圖7所示線圈兩端信號(hào)。噴油信號(hào)分為3個(gè)階段，分別為起噴階段、抖動(dòng)階段、回零階段。起噴階段，噴油開(kāi)始，燃油在高壓下推動(dòng)彈簧向后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而噴油感應(yīng)針動(dòng)作，信號(hào)在200us左右快速提升到400mV左右。信號(hào)反應(yīng)的是噴油感應(yīng)針的速度，此時(shí)凸輪軸位于行線最陡峭位置，燃油通過(guò)電控泵-高壓油管-噴槍，通過(guò)噴嘴快速噴出。信號(hào)到達(dá)峰值之后，因彈簧的預(yù)緊力以及凸輪行線的改變，噴油感應(yīng)針向后移動(dòng)速度降低，信號(hào)從峰值降至零軸附近，此時(shí)噴嘴完全打開(kāi)。起噴階段結(jié)束，進(jìn)入抖動(dòng)階段，為保證噴油流量，此時(shí)燃油泵停止噴油，如圖9所示。高壓油管內(nèi)殘留的壓力穩(wěn)定性、噴嘴噴油的連續(xù)性、燃油的密度、粘度等均會(huì)導(dǎo)致噴油感應(yīng)針不同程度的抖動(dòng)，如圖8，圖9所示為不同油品的噴油信號(hào)。該抖動(dòng)時(shí)間約1ms左右，該階段噴槍噴嘴完全打開(kāi)，高壓油管內(nèi)的燃油繼續(xù)噴出?；亓汶A段，高壓油管內(nèi)的殘壓低于彈簧的預(yù)緊力，在彈簧的作用力下，噴油感應(yīng)針?lè)捶较蜻\(yùn)動(dòng)，速度和彈簧的預(yù)緊力有關(guān)。噴油信號(hào)從零軸附近降至-400mV左右，又回到零軸，噴油感應(yīng)針回到初始狀態(tài)。

圖8 噴油信號(hào)與處理后信號(hào)Fig.8 signal and processed signal of injection

圖9 電控泵信號(hào)與噴油信號(hào)Fig.9 Electronic control pump signal and fuel injection signal

通過(guò)對(duì)噴油信號(hào)的分析，筆者認(rèn)為GBT 386-2010標(biāo)準(zhǔn)所述的開(kāi)始噴油應(yīng)指起噴階段信號(hào)從零軸開(kāi)始突變的時(shí)刻。本文中，噴油信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、信號(hào)比較等處理之后，轉(zhuǎn)換成為MCU可識(shí)別的上升沿信號(hào)，如圖8所示噴油處理信號(hào)。信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于信號(hào)起點(diǎn)的捕獲、高頻信號(hào)干擾的濾除、抖動(dòng)階段信號(hào)的濾除。

2.3.2 流量檢測(cè)

柴油十六烷值測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，流量檢測(cè)的精度直接影響十六烷值測(cè)定準(zhǔn)確度。在本設(shè)計(jì)中，流量自動(dòng)測(cè)量，提高測(cè)量精度。具體測(cè)量方式如下：在流量管上下各安裝一對(duì)霍尼韋爾光電二極管、光電三極管，上下光電管之間的高度固定，換算成體積為6.5mL。光電二極管功率恒定，凹液面經(jīng)過(guò)上下光電時(shí)，光電三極管接收的光強(qiáng)發(fā)生變化，進(jìn)而輸出信號(hào)發(fā)生變化。該信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，由MCU的A/D引腳采集，液面經(jīng)過(guò)上下光電的時(shí)間點(diǎn)由軟件進(jìn)行處理獲取。

2.3.3 手輪讀數(shù)檢測(cè)

為提高柴油十六烷值評(píng)定的自動(dòng)化程度，本文中采用激光位移傳感器檢測(cè)手輪讀數(shù)，量程20mm，精度35um，輸出4mA～20mA電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)入MCU的A/D引腳。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的軟件采用上下位機(jī)的形式編寫。上位機(jī)在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境下，應(yīng)用C++語(yǔ)言編寫，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。下位機(jī)在MPLAB環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫。上下位機(jī)的通訊采用Modbus協(xié)議編寫，制定了詳細(xì)的命令字段和數(shù)據(jù)字段，保證通訊的穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖10所示。試驗(yàn)過(guò)程控制模塊控制實(shí)驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)流程逐步進(jìn)行。動(dòng)態(tài)波形顯示包括進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度、機(jī)油溫度等波形，設(shè)計(jì)中應(yīng)用Microsoft Visual Studio 2010提供的CDC類成員函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)波形繪制。動(dòng)態(tài)化波形顯示，用戶對(duì)于儀器穩(wěn)定性的判別更加直觀。限幅平均濾波算法主要針對(duì)噴油角度數(shù)據(jù)、著火滯后期數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾波算法如下：取N個(gè)數(shù)據(jù)組成隊(duì)列，采用先進(jìn)先出原則，保證隊(duì)列固定長(zhǎng)度為N，采用冒泡排序方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，在隊(duì)列中取中間段數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，隊(duì)列的長(zhǎng)度及中間段取值數(shù)據(jù)長(zhǎng)度應(yīng)兼容數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。

圖1 儀器設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Design principle of the instrument

圖10 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.10 Frame of host computer software design

配置參數(shù)讀寫模塊用于讀寫系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力的標(biāo)定數(shù)據(jù)、手輪讀數(shù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)、進(jìn)氣溫控PID參數(shù)等，配置文件以ini文件存儲(chǔ)。本文中采用Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果，Sqlite是一種開(kāi)源嵌入式輕型數(shù)據(jù)庫(kù)，因其操作方便、無(wú)需安裝、跨平臺(tái)以及獨(dú)立性被應(yīng)用到很多嵌入式設(shè)備中[4,5]。實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）是基于網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、分析、報(bào)告及管理[6]。本設(shè)計(jì)中，通過(guò)加載外部ini文件來(lái)實(shí)現(xiàn)中英文切換。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序在主循環(huán)及各個(gè)中斷中運(yùn)行，設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。系統(tǒng)初始化是指MCU的I/O引腳、內(nèi)部定時(shí)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等初始化，系統(tǒng)工況信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)入MCU的A/D引腳。溫控PID算法是通過(guò)控制加熱管輸出功率來(lái)控制進(jìn)氣溫度，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求66℃±0.5℃。串口數(shù)據(jù)處理是應(yīng)用MCU的UART模塊接收上位機(jī)發(fā)送的命令，解析后執(zhí)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)操作以及向上位機(jī)數(shù)據(jù)反饋。信號(hào)輸入捕獲是利用MCU的輸入捕獲功能捕獲噴油信號(hào)、爆震信號(hào)、凸輪軸信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)捕獲信號(hào)的上升沿，產(chǎn)生中斷來(lái)獲取各個(gè)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)，從而計(jì)算各個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差，換算成角度之后發(fā)送至上位機(jī)。馬達(dá)、電控泵等控制由MCU的I/O引腳來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、電控噴油等操作。

圖11 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)框圖Fig.11 The frame of slave mechine design

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

十六烷值測(cè)定器設(shè)計(jì)完成之后，為驗(yàn)證儀器油樣評(píng)定的準(zhǔn)確性，將多個(gè)樣品油送至中石油、中石化以及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用WAUKESHA柴油十六烷值測(cè)定儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果均吻合，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的再現(xiàn)性要求。表1為WAUKESHA儀器與本公司柴油十六烷值儀器油樣評(píng)定對(duì)比表。

表1 油樣評(píng)定對(duì)比Table 1 Comparison of sample evaluation

5 結(jié)束語(yǔ)

柴油十六烷值測(cè)定機(jī)采用工業(yè)觸摸屏電腦，操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好。著火滯后期、溫度、壓力等數(shù)據(jù)采用動(dòng)態(tài)波形顯示，同時(shí)時(shí)間跨度可設(shè)置，便于操作員回調(diào)數(shù)據(jù)，較WAUKESHA數(shù)碼管顯示更加直觀。在流量測(cè)量、手輪數(shù)據(jù)讀取方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大減少油樣評(píng)定過(guò)程中出現(xiàn)的人為誤差。目前該儀器已量產(chǎn)，經(jīng)過(guò)多家單位的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果完全符合GBT386-2010、ASTM-D613標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，本項(xiàng)目為上海市2016年度“科學(xué)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科學(xué)儀器領(lǐng)域項(xiàng)目，獲得上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)專項(xiàng)資金資助，并已通過(guò)驗(yàn)收。