二沖程微型擺式內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集模塊的研制

李 飛，陳喜春

（石家莊機械化步兵學院 河北 石家莊 050083）

新型高能量密度、便攜式能源發(fā)生裝置的研制已成為21世紀較為關鍵的技術之一，美國是較早致力于微型內(nèi)燃機研究的國家，微型內(nèi)燃機的研究受到美國國防部的高度重視。國內(nèi)則由清華大學精密儀器系設計出了一種新穎的二沖程微型擺式內(nèi)燃機 MFPSE（Micro Free Piston Swing Engine）[1-3]，它以二沖程方式工作，為評價樣機點火系統(tǒng)，驗證各工作腔的密封性能，分析點火電壓、點火時刻等因素對點火系統(tǒng)的影響，需對實驗數(shù)據(jù)進行采集，本文以該內(nèi)燃機項目為背景，設計其數(shù)據(jù)采集模塊。

1 方案設計

二沖程MFPSE數(shù)據(jù)采集模塊結構框圖如圖1所示。這一部分設計包括電路設計、軟件編程等環(huán)節(jié)，為保證精度、縮短研發(fā)周期、簡化工作量，硬件電路采用市售數(shù)據(jù)采集卡+PC機的形式，控制軟件則采用LabView編程實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集模塊結構框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊結構框圖Fig.1 Block diagram of data acquisition model

1.1 電路設計

這一部分內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集卡、壓力變送器、溫度變送器的選型。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用研華公司的PCL-818L，該卡為40 kHz、16通道高性能多功能DAS卡，具有12位A/D轉換、12位D/A轉換、數(shù)字量輸入輸出、可編程定時/計數(shù)器和直接存儲器存取等功能。具體包括：16路單端或8路差分模擬量輸入；40 kHz12位A/D轉換器；可對每個輸入通道的增益進行編程；帶DMA的自動通道/增益掃描；16路數(shù)字輸入和輸出；一個12位模擬量輸出通道；可編程定時/計數(shù)器[4]。為便于數(shù)據(jù)采集卡與外部信號連接及調(diào)試需要，PCL-818L應有相應的信號輸出端子板，PCLD-8115則是與之配套的板卡，通過2條20針扁平電纜或一條37針扁平電纜與PCL-818L相連，并可由跳線設置單端、差分等輸入輸出方式。

1.1.2 壓力變送器

壓力變送器的作用是將內(nèi)燃機工作腔的壓力值轉換為計算機所能識別的電信號，研究點火系統(tǒng)應使內(nèi)燃機運行在不同的工況下，而壓力變送器應能體現(xiàn)不同工況下內(nèi)燃機工作腔的壓力狀態(tài)，以便對點火系統(tǒng)的工作性能進行分析研究，因此壓力變送器的精度要求足夠高；同時，壓力變送器的量程需選擇適當，一般應將使用量程設在滿量程的1/4～3/4之間，以確保足夠的測量線性度；另外，內(nèi)燃機運行時工作腔將產(chǎn)生高溫，因此要求壓力變送器具有一定的抗高溫能力，綜合以上因素，實驗中選用MCY-W絕壓式壓力變送器[5]。

MCY-W壓力變送器由傳感器和變送器兩部分組成，傳感器內(nèi)部為四個粘貼在應變梁上的應變電阻連接而成的電阻橋，當彈性應變梁受外力作用時，粘貼在梁上的應變電阻阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，從輸出端獲得一個與外力成正比的電壓信號。將傳感器配一小信號精密放大線路構成變送器，變送器電路具有內(nèi)部穩(wěn)壓、阻抗適配、線性補償、溫度補償?shù)裙δ埽瑥亩鴮⒘W量轉換成標準電流電壓信號輸出。

MCY-W絕壓式壓力變送器量程為2 MPa，精度等級為，輸出信號為三線制電壓輸出，量程1～5 V，可直接與自動控制設備相連，變送器工作電壓為12VDC，適用的環(huán)境溫度為－20～80°C，具備標準信號外調(diào)零、外調(diào)增益等功能。安裝壓力變送器需要在內(nèi)燃機缸體對應腔體上加工一個螺紋孔，并用生料帶纏繞結實以保證密封良好。

1.1.3 溫度變送器

溫度變送器的作用是將內(nèi)燃機動力腔的溫度值轉換為計算機所能識別的電信號，常用的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器。熱電阻和集成溫度傳感器雖然靈敏度較高，但工作溫度范圍較窄，而熱電偶有很大的溫度敏感范圍，一般在－180～2 800°C均可使用，并且準確度和靈敏度都較高。

考慮到內(nèi)燃機動力腔的溫度可達上千攝氏度，因此實驗中采用熱電偶溫度變送器，型號為KLW－KS－2A2，工作電壓24 V，量程 100～1300 °C，輸出電流范圍為 4～20 mA，精度±0.5%。該變送器測量端受熱面積小，可測定空間任意點的溫度，響應時間短，小于1 ms。

由于數(shù)據(jù)采集卡要求的輸入信號為電壓信號，故需要將溫度變送器的電流信號轉換為電壓信號，實驗中串接一個250 Ω的精密電阻，將輸出信號轉換為1～5 V的電壓信號，便于數(shù)據(jù)的采集。

1.1.4 光電編碼器

光電編碼器與二沖程MFPSE中心擺同軸安裝，用來生成中心擺的位置和擺動頻率信號，本樣機選用的光電編碼器型號為HEDS-5645型增量式光電編碼器，經(jīng)交流伺服驅動器四倍頻后輸出為每圈8 000個脈沖。

實驗時數(shù)據(jù)采集卡對光電編碼器反饋脈沖計數(shù)，以判斷中心擺實際運行位置，同時利用板載定時器對反饋脈沖計數(shù)可得到中心擺的實際擺頻。

為提高信號抗干擾能力，光電編碼器輸出脈沖除經(jīng)差分處理外，還應進行整形、濾波等措施，以提高輸出信號的計數(shù)精度。

1.2 軟件設計

PCL-818L支持LabView編程，LabView界面友好，提供了一個交互式、圖形化的編程環(huán)境，使得程序的編寫直觀、方便和高效。

圖2為采用LabView編寫的數(shù)據(jù)采集程序。

圖2 LabView編寫的數(shù)據(jù)采集程序Fig.2 Programme of data acquisition model written by LabView

壓力變送器輸出為四路單端信號，設置PCL-818L信號采集模式為16路單端輸入模式。程序運行后，需要設置數(shù)據(jù)采集通道總數(shù)和起始通道數(shù)，實際采用的通道為AI7、AI8、AI9和AI10 4個通道。程序還對實驗結果進行了保存，便于總結分析。

數(shù)據(jù)采集程序流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.3 Flow chart of data acquisition model

2 實驗與數(shù)據(jù)分析

由于二沖程MFPSE的結構特點，左右壓力腔完全對稱，工作時兩腔交替處于吸氣、壓縮、做功、排氣等行程，因而內(nèi)燃機啟動時中心擺的位置應該在兩個腔體的中部，因此，進行實驗前，需進行中心擺起始位置的標定。標定完成后，即可開始實驗，圖4是數(shù)據(jù)采集實驗平臺。

2.1 動力腔壓力分析

二沖程MFPSE中心擺向止點運行過程中，動力腔的氣體受壓縮而氣壓升高，根據(jù)內(nèi)燃機原理，動力腔壓力大于4～5個標準大氣壓時，混合氣才有被點燃的可能，如果壓力低于4～5個大氣壓，則點火不會成功。因此在評價內(nèi)燃機工作性能時，動力腔壓力不僅是重要的熱力學參數(shù)，同時也是缸體密封性能的衡量指標[6]。

圖4 數(shù)據(jù)采集實驗平臺Fig.4 Exrerimental platform for the data acquisition model

圖5是LabView下實測的二沖程MFPSE各工作腔數(shù)據(jù)，圖中數(shù)據(jù)是在內(nèi)燃機擺動頻率5 Hz、擺動幅度80°、點火提前角1°下測得的。

圖5 點火提前角為1°時二沖程MFPSE各工作腔測量曲線Fig.5 Measuring curve of each working chamber of two stroke MFPSE at 1 degree ignition angle of advance

圖像1和3表示的是左側動力腔和掃氣腔的壓力，圖像2和4表示的是右側動力腔和掃氣腔的壓力。以圖像1即內(nèi)燃機左側動力腔為例可以看出，縱坐標的數(shù)值在0.5～2.6 V范圍內(nèi)變化。由壓力變送器的資料可知，實驗測得的動力腔電壓與氣壓有以下對應關系

式（1）中，P代表動力腔壓力，單位 MPa，V代表測量電壓，單位V。由上式可以得到P=0.1 MPa即動力腔氣壓為標準大氣壓時對應的電壓為1.2 V。

顯然，電壓高于1.2 V則氣壓高于標準大氣壓，表示內(nèi)燃機處于壓縮過程；電壓低于1.2 V則氣壓低于標準大氣壓，表示內(nèi)燃機處于吸氣過程；電壓在1.2 V附近波動則氣壓等于標準大氣壓，表示內(nèi)燃機處于排氣過程。

由圖可見，圖像1最大電壓值為2.6 V，表示左動力腔最大氣壓為0.8 MPa，此數(shù)據(jù)發(fā)生在中心擺到達上止點即壓縮終了處，此時混合氣被壓縮的最充分，壓縮比最大，對點火最有利。右側動力腔的數(shù)據(jù)與左側類似，圖像2最大電壓值為3 V，表示右動力腔最大氣壓為1 MPa。

內(nèi)燃機壓力腔的氣壓值越高，表明混合氣被壓縮的程度越大，由實測數(shù)據(jù)可以看出，動力腔的氣壓最高為1 MPa，這表明混合氣被壓縮的較為充分，然而從圖像1和2也可以看出，最大氣壓出現(xiàn)的間隔約為20 ms，并且在一個四分之一擺動周期內(nèi)（擺動頻率5 Hz時四分之一周期為50 ms）只出現(xiàn)兩次，這表明動力腔密封效果不太理想，盡管壓力滿足點火的前提條件，但混合氣泄漏較為嚴重。

2.2 掃氣腔壓力分析

圖5中圖象3和4分別表示左右掃氣腔的實測曲線。掃氣腔的密封效果影響到混合氣的質量，掃氣不好會影響排氣效果和進氣過程，導致混合氣難以燃燒或燃燒不穩(wěn)定。掃氣腔的密封效果主要依據(jù)掃氣腔的壓力數(shù)據(jù)來評價。

二沖程MFPSE中心擺往復運行時，掃氣腔壓力曲線的最低值越低表明掃氣腔中真空度越高、掃氣效果越好，當掃氣腔與中心擺頂端或中心擺側面、內(nèi)燃機缸體之間、壓力變送器與缸體之間漏氣時，掃氣腔實測曲線會出現(xiàn)最低值偏高的現(xiàn)象，這說明掃氣腔密封效果不夠好。

由圖中實測曲線可以看出，掃氣腔最低氣壓已經(jīng)接近壓力變送器的極限，因而掃氣效果尚令人滿意，掃氣腔的密封也比較理想。

3 結束語

結合二沖程MFPSE項目，文中設計開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集模塊，可對工作腔壓力、溫度等數(shù)據(jù)進行測量，同時還可測得中心擺擺動頻率、到達位置等數(shù)據(jù)。通過實驗表明，文中設計的數(shù)據(jù)采集模塊運行可靠，能夠達到設計要求，為二沖程MFPSE的進一步研究奠定了基礎。

[1]張仕民.新型二沖程微型擺式內(nèi)燃機[D].北京：清華大學，2004.

[2]汪勁松，張仕民，葉佩青，等.一種可變壓縮比的微型擺式內(nèi)燃機：中國，02117081.9[P].2002.4.29.

[3]郭志平，葉佩青，張仕民.微型擺式發(fā)動機的總體設計[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2002，31（4）：1－4.GUO Zhi-ping，YE Pei-qing， ZHANG Shi-mim.Overall design of micro swing engime[J].Small Internal Combustion Engine and motocycle，2002，31（4）：1－4.

[4]研華股份公司，PCL-818L多功能數(shù)據(jù)采集卡使用手冊[EB/OL].（2005－12－21）http://www.advantech.com.tw/products/search.aspx keyword=PCL－818.

[5]張義和，袁彩霞.例說51單片機[M].C語言版.北京：人民郵電出版社，2008.

[6]張仕民，汪勁松，葉佩青.新型二沖程微型擺式內(nèi)燃機氣口參數(shù)設計的數(shù)學模型[J].內(nèi)燃機學報，2004（2）：188.ZHANG Shi-min，WANG Jin-song， YE Pei-qing.Mathematical model of porting parameters design for a novel two Stroke Micro Free Piston Swing Engine[J].Transactions of CSICE，2004（2）：188.