柴油发动机信号采集装置及其燃烧质量检测和无负荷测功方法

摘要

本发明涉及一种柴油发动机信号采集装置及其燃烧质量检测和无负荷测功方法，其特征是：主要由依次连接的振动传感器和振动信号调理电路及依次连接的高压油管压力传感器和喷油压力信号调理电路与依次连接的滤波电路、微处理器和计算机并联。燃烧质量检测方法，从实车发动机上一次采集多路振动信号和一路喷油压力信号，实现判断各缸的燃烧质量；无负荷测功方法，采集柴油发动机加速程中的一路振动信号和喷油压力信号，实现测定发动机无负荷状态下功率。柴油发动机信号采集装置，有益效果：利用缸盖上的振动信号，仅需要从实车发动机上一次采集多路振动信号和一路喷油压力信号，即可判断各缸的燃烧情况及测定发动机无负荷状态下的功率。

说明书

技术领域

本发明属于发动机检测装置，尤其涉及一种柴油发动机信号采集装置 及其燃烧质量检测和无负荷测功方法。

背景技术

针对发动机各缸燃烧质量分析，目前的方法有：通过测量发动机瞬时 转速，或利用小波分析技术及高阶谱对柴油机的缸盖噪声信号等方法进行 分析。对于第一种方法，当转速波动信号中出现较明显的干扰信号时，分 析的效果不好；对于第二种方法，要判别哪一缸出现燃烧质量问题，则需 要测量每个缸的缸盖上振动信号和喷油压力信号，并且上述方法没有形成 专门的检测装置。目前国内外发动机功率检测仪器仍以有负荷测功仪为 主，有负荷测功具有测量精度高、可直接显示发动机扭矩数据的优点，但 是这类测功仪体积庞大，价格昂贵，操作复杂。常见的有负荷测功仪有底 盘测功仪、水力测功仪、电涡流测功仪、液压测功仪、电力测功仪等。与 有负荷测功仪相比，无负荷测功仪的种类与数量相对较少，目前虽已有单 一功能的无负荷测功仪，但更多的无负荷测功仪则是与发动机综合测试仪 做成一体，并且需要在车辆上安装传感器检测发动机的转速。而在车辆不 被解体的情况下，转速传感器的安装极其不便，因此降低了检测效率，不 能够满足发动机工作现场技术状态检测的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种柴油发动机信 号采集装置及其燃烧质量检测和无负荷测功方法，利用柴油发动机信号采 集装置，仅需要从实车发动机上一次采集多路振动信号和一路喷油压力信 号，即可判断各缸的燃烧情况以及采集柴油发动机加速程中的振动信号和 喷油压力信号，即可测定发动机无负荷状态下的功率。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种柴油发动机信号采 集装置，其特征是：主要由振动传感器、振动信号调理电路、高压油管压 力传感器、喷油压力信号调理电路、微处理器以及计算机构成，所述依次 连接的振动传感器和振动信号调理电路及依次连接的高压油管压力传感 器和喷油压力信号调理电路与依次连接的滤波电路、微处理器和计算机并 联。

所述高压油管压力传感器呈外卡式结构。

一种柴油发动机的燃烧质量检测方法，其特征是：利用柴油发动机信 号采集装置从实车发动机上一次采集多路振动信号和一路喷油压力信号， 实现判断各缸的燃烧质量的具体检测方法如下：

(1)信号采集：在两缸之间连接柴油发动机信号采集装置的振动传感 器，每个振动传感器同时监测两个缸的燃烧情况，柴油发动机信号采集装 置的外卡式高压油管压力传感器夹在其中一缸的高压油管上，柴油发动机 信号采集装置根据设置的采样频率和采样点数，采集发动机振动信号和喷 油压力信号；

(2)使用高压油管压力信号作为时标信号，依照发动机做功顺序，获 取发动机一个工作循环内单缸时域振动波形，对其进行绝对值累加，得到 单缸时域绝对能量；将单缸时域绝对能量与整个工作缸绝对能量总和之 比，得到单缸时域相对能量；

(3)重复进行第二步十次或十次以上，得到单缸时域相对能量的均值；

(4)柴油发动机信号采集装置的微处理器通过对比各缸时域相对能 量，确定各缸的燃烧情况。

一种柴油发动机的无负荷测功方法，其特征是：利用柴油发动机信 号采集装置采集柴油发动机加速程中的一路振动信号和喷油压力信号，实 现测定发动机无负荷状态下功率的具体方法如下：

(1)信号采集：在第三、四缸之间连接柴油发动机信号采集装置的振 动传感器，柴油发动机信号采集装置的外卡式高压油管压力传感器夹在一 缸高压油管上，柴油发动机信号采集装置根据设置的采样频率和采样点数 采集发动机振动信号和喷油压力信号；

(2)柴油发动机信号采集装置的微处理器对传输到计算机的喷油压力 信号进行滤波，通过计算两次喷油之间的间隔时间计算加速过程的转速， 当转速达到给定范围内起始转速n1时，开始记录加速过程的振动信号；

(3)微处理器对传输到计算机的振动信号先进行低通滤波，将振动信 号根据采样频率和采样点数进行分段，对每段信号视为平稳信号进行傅里 叶变换，求出最高幅值所对应的频率值，将其换算为6缸做一次功的时间， 从而得到加速过程各分段信号的转速和加速时间，根据需要确定终止转速 n2；

(4)微处理器根据起始转速、终止转速、加速时间、发动机当量转动 惯量计算功率。

有益效果：利用缸盖上的振动信号，通过计算单缸时域相对能量可以分 析各缸燃烧情况。同时仅需要从实车发动机上一次采集多路振动信号和一 路喷油压力信号，即可判断各缸的燃烧情况；采集柴油发动机加速程中的 振动信号和喷油压力信号，即可测定发动机无负荷状态下的功率。

附图说明

图1是发动机信号采集装置的组成框图；

图2是振动传感器放置位置俯视图；

图3是ICP加速度传感器信号调理电路；

图4是电荷放大器原理电路图；

图5是二阶RC有源低通滤波电路；

图6a-图6b是六缸发动机单缸振动信号的时域波形。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图 1-6所示，一种柴油发动机信号采集装置，主要由振动传感器、振动信号 调理电路、高压油管压力传感器、喷油压力信号调理电路、微处理器以及 计算机构成，所述依次连接的振动传感器和振动信号调理电路及依次连接 的高压油管压力传感器和喷油压力信号调理电路与依次连接的滤波电路、 微处理器和计算机并联。所述的柴油发动机信号采集装置，所述高压油管 压力传感器呈外卡式结构。

一种柴油发动机的燃烧质量检测方法，利用柴油发动机信号采集装置 从实车发动机上一次采集多路振动信号和一路喷油压力信号，实现判断各 缸的燃烧质量的具体检测方法如下：

(1)信号采集：在两缸之间连接柴油发动机信号采集装置的振动传感 器，每个振动传感器同时监测两个缸的燃烧情况，柴油发动机信号采集装 置的外卡式高压油管压力传感器夹在其中一缸的高压油管上，柴油发动机 信号采集装置根据设置的采样频率和采样点数，采集发动机振动信号和喷 油压力信号；

(2)使用高压油管压力信号作为时标信号，依照发动机做功顺序，获 取发动机一个工作循环内单缸时域振动波形，对其进行绝对值累加，得到 单缸时域绝对能量；将单缸时域绝对能量与整个工作缸绝对能量总和之 比，得到单缸时域相对能量；

(3)重复进行第二步十次或十次以上，得到单缸时域相对能量的均值；

(4)柴油发动机信号采集装置的微处理器通过对比各缸时域相对能 量，确定各缸的燃烧情况。

柴油发动机燃烧质量分析的基本原理：

在柴油机缸盖振动加速度监测中，对应于缸内爆发过程的信号有时能 够观察到两个波峰，在部分工况下这两个波峰时域区分明显，部分工况下 区分不明显，有时二者幅值相当，有时有较大差别，将此现象称为柴油机 缸盖振动爆发段信号的双波峰现象，图6a是六缸发动机第三缸正常时的 单缸时域波形。经过试验验证，爆发段的两个振动波峰不是由于缸套-活 塞组及缸盖等部位的冲击激励引起的，即：不是由气门开启、落座或者活 塞换向撞击引起的，而只能是由缸内燃烧做功过程引起的，图6b是六缸 发动机第三缸断油也就是出现燃烧质量问题的单缸时域波形。因此利用缸 盖上的振动信号，通过计算单缸时域相对能量可以分析各缸燃烧情况。

一、振动传感器：

图2是对于六缸发动机振动传感器放置位置。为了获得可靠的发动机振动 信号，选用振动传感器(如601A01型ICP工业加速度传感器)。在两缸之 间放置1个振动传感器，即1个振动传感器可以同时监测两个缸的燃烧情 况。

二、外卡式高压油管压力传感器：

为了快速获得高压油管的压力值，外卡式高压油管式压力传感器是常 采用的一种检测手段，(如外卡式压电陶瓷传感器)。它只需要夹在高压油 管上，不对柴油机供油系统有任何不良影响。

三、振动信号调理电路

如选用ICP传感器，则要求系统提供2-20mA电流恒流源供电，其默 认工作电流为4mA，并要求电流范围最好设4mA以内，故采用LM334电流 源芯片，工作电压为24V，如图3所示，通过调整R，可以得到不同的工 作电流，为保证各通道的工作电流值一致，当调整电阻R＝20Ω时，可以保 证传感器工作电流为3.84mA。

喷油压力信号调理电路

四、如选用压电陶瓷传感器，信号调理通常是设计电荷放大器。电荷 放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图4所示。 若放大器的开环增益A₀足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输 入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路C_F与R_F。

五、滤波电路

发动机出现故障产生的振动信号总是与正常信号有差别的。采集振动 信号时，需要抑制干扰信号，放大有用信号，因此需要滤波电路。

(1)振动信号处理电路

对于ICP传感器，输出信号有10V的直流分量，该直流分量对于故障 分析毫无意义。在电路中引入高通滤波电路，利用电容的隔直特性将直流 信号滤去。为消除电路中的噪声干扰，在电路中还引入了低通滤波电路。

(2)喷油管油压信号的处理电路

柴油机每转两转，各缸喷油一次。在时域波形图上，这一信号表现为 脉冲衰减信号。因此，在对单缸喷油油压信号进行采集时，引入了二阶低 通滤波电路，如图5所示。

六、微处理器

微处理器主要完成信号采集即将模拟信号转换为数字信号和信号传输 功能即将数字信号传输到计算机的功能，如选用C8051F021单片机作为中 央处理器和选用USB通信模块USB100。该模块满足USB1.1标准，无需用 户编写驱动程序，具有八位单片机总线接口，利用该模块与C8051F021单 片机接口可以实现与计算机的数据通信。

七、计算机

普通PC机、笔记本电脑、嵌入式计算机都适用，具有USB接口，可以 接受微处理器输出的信号并进行数据处理。

八、软件功能

(1)信号采集。根据设置的采样频率和采样点数采集发动机振动信号 和喷油压力信号。

(2)使用高压油管压力信号作为时标信号，再根据发动机做功顺序， 获取发动机一个工作循环内单缸时域振动波形，对其进行绝对值累加，得 到单缸时域绝对能量；将单缸时域绝对能量与整个工作缸绝对能量总和之 比，得到单缸时域相对能量；

(3)重复进行第二步多次，例如10次，得到单缸时域相对能量的均 值。

(4)通过对比各缸时域相对能量，可以确定各缸的燃烧情况。

一种柴油发动机的无负荷测功方法，利用柴油发动机信号采集装置 采集柴油发动机加速程中的一路振动信号和喷油压力信号，实现测定发动 机无负荷状态下功率的具体方法如下：

(1)信号采集：在第三、四缸之间连接柴油发动机信号采集装置的振 动传感器，柴油发动机信号采集装置的外卡式高压油管压力传感器夹在一 缸高压油管上，柴油发动机信号采集装置根据设置的采样频率和采样点数 采集发动机振动信号和喷油压力信号；

(2)柴油发动机信号采集装置的微处理器对传输到计算机的喷油压力 信号进行滤波，通过计算两次喷油之间的间隔时间计算加速过程的转速， 当转速达到给定范围内起始转速n1时，开始记录加速过程的振动信号；

(3)微处理器对传输到计算机的振动信号先进行低通滤波，将振动信 号根据采样频率和采样点数进行分段，对每段信号视为平稳信号进行傅里 叶变换，求出最高幅值所对应的频率值，将其换算为6缸做一次功的时间， 从而得到加速过程各分段信号的转速和加速时间，根据需要确定终止转速 n2；

(4)微处理器根据起始转速、终止转速、加速时间、发动机当量转动 惯量计算功率。

柴油发动机的无负荷测功方法的原理：在发动机不带负载的条件下， 测量发动机急加速过程中，从给定范围内起始转速n1到达另外一种给定 范围内终止转速n2所用的时间Δt。如果发动机加速所用的时间短，则表 明发动机的动力性好；反之则动力性不好。我们提出的装置通过分析处理 采集的发动机振动信号和喷油压力信号，可以监测并计算加速过程中n1、 n2、Δt的数值，根据公式1可以计算出发动机的功率。

$N_{\mathrm{em}}=\frac{1}{2}J({\omega }_2^2-{\omega }_1^2)/\left(75\mathrm{\Delta t}\right)---\left(1\right)$

式中：N_em——发动机平均有效功率，(马力)；

J——发动机当量转动惯量，kg.m.S；

Δt——转速由n1加速到n2需要的时间，s；

ω₁——相当于转速n1时的角速度；

ω₂——相当于转速n2时的角速度。

一、振动传感器：

为了获得可靠的发动机振动信号，选用振动传感器(如601A01型ICP 工业加速度传感器)。在第三、四缸之间放置1个振动传感器，图2中传 感器2的位置为振动传感器的放置位置。

二、外卡式高压油管压力传感器：

为了快速获得高压油管的压力值，外卡式高压油管式压力传感器是常 采用的一种检测手段，(如外卡式压电陶瓷传感器)。它只需要夹在高压油 管上，不对柴油机供油系统有任何不良影响。

三、振动信号调理电路

如选用ICP传感器，则要求系统提供2-20mA电流恒流源供电，其默 认工作电流为4mA，并要求电流范围最好设4mA以内，采用LM334电流源 芯片，工作电压为24V，如图2所示，通过调整R，可以得到不同的工作 电流，为保证各通道的工作电流值一致，当调整电阻R＝20Ω时，可以保证 传感器工作电流为3.84mA。

四、喷油压力信号调理电路

如选用压电陶瓷传感器，信号调理通常是设计电荷放大器。电荷放大 器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图3所示。若放 大器的开环增益A₀足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端 几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路C_F与R_F。

五、滤波电路

(1)振动信号处理电路

采集振动信号时，需要抑制干扰信号，放大有用信号，因此需要滤波 电路。对于ICP传感器，输出信号有10V的直流分量，该直流分量对于故 障分析毫无意义。在电路中引入高通滤波电路，利用电容的隔直特性将直 流信号滤去。为消除电路中的噪声干扰，在电路中还引入了低通滤波电路。

(2)喷油管油压信号的处理电路

柴油机每转两转，各缸喷油一次。在时域波形图上，这一信号表现为 脉冲衰减信号。因此，在对单缸喷油油压信号进行采集时，引入了二阶低 通滤波电路，

六、微处理器

微处理器主要完成信号采集即将模拟信号转换为数字信号和信号传输 功能即将数字信号传输到计算机的功能，如选用C8051F021单片机作为中 央处理器和选用USB通信模块USB100。该模块满足USB1.1标准，无需用 户编写驱动程序，具有八位单片机总线接口，利用该模块与C8051F021单 片机接口可以实现与计算机的数据通信。

七、计算机

普通PC机、笔记本电脑、嵌入式计算机都适用，具有USB接口，可以 接受微处理器输出的信号并进行数据处理。

八、软件功能

(1)信号采集。根据设置的采样频率和采样点数采集发动机振动信号 和喷油压力信号。

(2)对传输到计算机的信号进行时频分析，计算加速过程的转速，当 转速达到给定范围内起始转速n1时，开始记录振动和喷油压力信号。

(3)计算加速过程中起始转速n1、终止转速n2和加速时间Δt。

(4)计算功率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作 任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何 简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。