船用低速柴油機電控燃油系統試驗臺監測系統開發

賀玉海，詹祖焱，王勤鵬

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

柴油機電控技術的發展使得其在全工況下的各項性能都有所提升。[1]而電控技術中最重要的是燃油噴射技術，燃油噴射系統需要確保品質(高壓噴射與噴油規律)、數量(噴油量控制)、時間(噴油始點與持續期)和可靠性等方面滿足與柴油機整機的匹配要求。[2]

在測試船用低速機電控燃油系統方面，國外一些內燃機研發領域廠商和相關研究機構已有成熟的試驗臺架以及與之相配套的監測系統，具有代表性的有德國FEV公司的MIO系統、奧地利李斯特公司的AVL Fuel Reference系統[3]。這兩個系統都有著測量精度高、使用方便的優點，但需要在與之配套試驗臺上使用，不能移植到自主開發的船用電控燃油系統試驗臺上。

我國在車用柴油機燃油系統的試驗研究方面開展了大量工作，而在船用柴油機方面，尚處于研發階段，未有成熟的、具有自主知識產權的產品[4]。對此，在研制一套船用低速柴油機電控燃油系統試驗臺的同時，開發相配套的監測系統。該系統通過同步采集燃油軌壓、電磁閥驅動信號、曲柄轉角信號和噴油壓力等信號，可整體分析評價燃油系統的工作狀態。監測系統在FPGA底層使用了兩種可實時切換的采集機制，滿足信號等時間或等曲柄轉角兩種不同采集條件，為優化船用低速機電控燃油系統提供了技術參考。

1 試驗臺硬件研制

在船用低速機電控燃油噴射系統中，想要高精度的控制高壓燃油噴射是非常困難的，需要燃油系統各個部件的精確匹配及總體調控[5]。僅憑噴油器的噴油狀態無法評價整個電控燃油系統，因此需同時監測燃油系統各組成部件的工作狀態(如：軌壓波動、啟噴壓力、噴油電磁閥的啟閉時刻、噴油器的針閥升程及累計燃油噴射量等)。

為評價低速機燃油系統的綜合性能指標以及可靠性，試驗臺必須要監測的性能指標和輸出的控制參數至少包括：①監測燃油系統的軌壓、噴油器針閥升程、噴油器啟噴壓力等信號；②監測噴油器的燃油噴射量；③監測噴油電磁閥的性能；④輸出ECU控制信號。

為實現上述需求，試驗臺應該包含如下4項功能：①信號的采集與數據處理功能；②單次與累計循環噴油量的精確計量；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，并實時準確響應。

試驗臺的結構框架如圖1所示，其中監測系統包含上位機和下位機兩部分。

圖1 試驗臺結構框架

監測系統控制伺服油電機與燃油電機運轉，調節系統中伺服油與燃油的壓力。通過控制伺服電機的運轉，模擬低速機轉速，并通過光電編碼器ABZ三相輸出，采集轉速和上止點信號，作為控制燃油噴射單元的基準信號。燃油噴射單元接收到監測系統的噴射信號，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過冷卻系統冷卻、收集，最終流入油量測量機構測取燃油質量。同時，監測系統采集電控噴油模塊信號并計算出單次噴射的燃油重量，結合監測系統控制輸出與采集的信號與單次噴射燃油重量可綜合分析電控燃油系統的性能參數。

2 試驗臺監測系統開發

監測系統開發選用美國NI公司的LabVIEW軟件平臺，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、工業自動化和實驗室研究等方面得到了廣泛的應用。

為了監測系統能精準的實現上述功能，監測系統的硬件同樣選用的是美國NI公司的產品，設備類型、數量和主要性能如表1所示。試驗臺監測系統采集通道布置如圖2所示。

表1 監測系統硬件配置

對試驗臺中需要同步的性能參數使用NI 9220同步采集卡，如：控制噴油信號、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使用NI 9203采集卡采集，以減低試驗臺研制成本；選用NI 9263采集卡模擬量輸出信號以控制噴油電磁閥驅動，而轉速信號的采集選用NI 9411板塊采集光電編碼器的脈沖信號。

監測系統的主要功能包含信號采集、實時顯示、數據保存、控制信號輸出、數據回放等，其各功能執行流程如圖3所示。

圖2 監測系統采集通道設置

圖3 監測系統程序執行流程

2.1 采集機制的切換機制設計

為精確、全面測試電控燃油噴射系統的性能，試驗臺監測系統配置高頻采樣率來采集信號，通過高頻采樣率采集的信號，可以精確計量電控燃油系統動作時系統各個部件延遲響應的時間，可以分析采集的信號針對燃油系統每一部件進行優化設計。電控燃油噴射系統性在試驗臺完成配機試驗驗證、并滿足設計指標之后，才能將電控燃油系統安裝到低速機實機上進行試驗測試。而實機測試時需要根據低速機每個做功循環來整體評價燃油系統的匹配性能，因此需要使用每個做功循環顯示一次所采集的數據。當轉速越快，顯示的刷新頻率也越快，已無法繼續使用設置的采樣率采集數據。因此本試驗臺采用觸發采集模式，即低速機每一次循環，監測系統讀取一次數據。

綜上所述，監測系統應該包含設置采樣率采集模式(適用于燃油系統平臺試驗驗證)與觸發采集模式(適用于燃油系統實機配機試驗)兩種可靈活切換的采集機制，如圖4所示。監測系統默認使用等時間采樣(通過設置采樣率實現)進行數據采集，當程序捕捉到上位機切換采集模式這個動作后，程序通過采集光電編碼器ABZ三項信號計算轉速，判定當前的轉速是否不等于零(若轉速等于零，光電編碼器的ABZ三項信號不會改變，采集無法開始，沒有數據傳輸，整個程序會處于無限等待的狀態)，程序會提示“無法進行切換操作”，轉回默認的等時間采樣。若轉速不等于零，則程序的FPGA底層就會進行切換，隨后清空原FIFO內的數據，再將采集的數據輸入FIFO，此時上位機讀取FIFO內的數據為切換采集后的數據。上位機程序對數據進行必要的處理，就可以還原真實的物理量信號。使用這種機制就可以實現觸發采集與等時間采樣的靈活切換。

圖4 兩種采集機制切換

監測系統程序的FPGA底層切換程序使用了順序結構。首先判斷是否使用觸發采集，若不為觸發采集則此幀為空，執行順序結構的下一幀，在下一幀中的程序是在 While循環中運行，通過設定每個循環的時間間隔來實現控制信號采集的采樣率；當切換到觸發采集時，程序會結束當前的While循環，返回順序結構的第一幀，等待編碼器的Z相信號作為一循環的開始，當接收到Z相信號時，便開始按照編碼器的A、B相脈沖信號進行信號采集，采集的數據進入FIFO中。本文所使用編碼器的脈沖數為3 000，于是在捕捉到Z相脈沖信號后，計數A/B相的脈沖信號，當計數達3 000時為一圈，又開始等待下一個Z相信號作為觸發。

2.2 大量數據回放處理技術研究

電控燃油噴射系統試驗臺需要采集32路信號，其中燃油噴射后針閥落座產生的壓力波信號可高達12.5 kHz，根據信號的采樣定理如下。

fs>2fmax，

(1)

式中：fs表示信號的采樣頻率；fmax表示信號頻率成分中最高頻率。

為了保證采集信號不失真，設置的采樣頻率不得低于25 kHz，且要求同步采集32路信號必須所有通道的采樣率設置必須一致，才能保證在采集的時候不丟失數據。在采用NI公司推薦的TDMS文件格式保存，其長時間的數據保存會形成數據量很大的單個文件，要能實現文件的快速讀取并進行顯示以及處理存在硬件和軟件資源上的困難[6]。例如，在實際的試驗中設定信號的采樣頻率為30 kHz，連續保存半個小時的數據量達到5GB以上。對于如此大數據量且包含了32路不同的信號，如果使用常規的打開方式對于如此大量的數據會造成計算機使用內存不足而報錯，即使用Matlab等工具處理也會出現同樣的問題，且Matlab在處理數據時的實時性不如LabVIEW[7]。

對大數據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，在設計保存數據讀取時，根據實際需要設計了兩種數據讀取方式：靜態和動態數據讀取(如圖5所示)。兩種方式都是采取將數據分塊，將一個文件切分成所需要小塊數據進行讀取顯示。其中靜態讀取又可再細分為兩種讀取方式，一種為顯示所有信號的部分數據，如：一次顯示所有信號十個周期的數據，然后根據需要再往后讀取后續的數據；另一種為只顯示單通道信號所儲存的所有數據，所讀取的數據量為原來的1/32，且能很清楚的觀測到此信號隨時間推移的變化情況。對于動態讀取方式，其數據的回放就如同采集一樣，程序每次讀取的數據為每秒鐘采集的數據，下一循環讀取的是上一次循環結束的點，通過控制程序的循環時間，可以調節波形圖的刷新的速率，以數據流盤的形式，從一個大的數據文件讀取一段數據分析，讀取完這段數據后，系統又接著往下讀取數據，釋放之前所讀取的數據，這樣能保證每次內存中只有當前顯示的一部分數據，并且數據內容是不斷變化的。

圖5 兩種數據查看方式

3 試驗驗證

3.1 標準信號與儀器的試驗驗證

使用上海藍羿科技的MR9270S多功能信號發生器發出頻率為5.3 Hz，占空比為20%的脈沖方波信號；使用監測系統采集該信號是否為信號發生器所發出的信號。同時使用Tektronix THS3914示波器測量該信號。可見監測系統與示波器采集的信號一致，可說明監測系統的信號采集是準確的。

3.2 電控燃油噴射系統的實驗平臺驗證

在低速柴油機電控燃油噴射系統試驗平臺上，采用說開發的監測系統對其進行性能測試，并從測試結果分析噴油系統的性能。為了方便觀看分析，選取了對幾路重要的傳感器信號進行集中顯示(如處于增壓活塞的兩端的增壓后燃油壓力和增壓活塞驅動壓力)。在發出增壓控制信號后30 ms，增壓閥芯開始動作，共軌管內的伺服油進入增壓活塞下方，對低壓燃油進行增壓。低壓燃油增壓后變成高壓燃油，當燃油大于噴油器的啟噴壓力時，開始噴射燃油。

除了可以對試驗臺信號進行總體分析，還可以逐一分析單路信號，以分析試驗臺各部件的性能參數。

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

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

3)在增壓時共軌管壓力有20 MPa，在增壓活塞動作時，增壓活塞驅動(伺服油)壓力為15.5 MPa，增壓后的燃油壓力為47 MPa，符合設計增壓比(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噴油器還要經過一段高壓油管，由于高壓油管內的殘余高壓油的作用導致油壓變低。增壓動作結束后，增壓活塞的兩端都存在壓力波動(回彈)，則是由于后續的油液碰撞后產生的壓力波振蕩。

4 結束語

本文依據所設計的試驗臺架，對船用低速機電控燃油系統做了性能測試試驗研究，得到如下結論。①試驗臺監測系統能實現準確的采集、顯示和分析各信號的功能；②監測系統使用了兩種不同的信號采集機制，并可自由切換，使得在測試分析燃油系統的性能分析時更加的精確；③試驗臺監測系統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據；④試驗臺能準確的測試低速機電控燃油系統的各項性能參數，監測系統可綜合各路信號對比分析，為優化電控燃油系統提供試驗條件。