船用柴油機(jī)燃燒閉環(huán)控制用缸壓信號(hào)實(shí)時(shí)采集技術(shù)

胡建村，金江善，王 鋒，鄧康耀，周思敏，秦慈偉

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108；3. 船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 201108)

0 引 言

隨著船用柴油機(jī)智能化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，同時(shí)為了提高船用柴油機(jī)的性能和可靠性，對(duì)柴油機(jī)的控制和監(jiān)測(cè)特別是缸內(nèi)燃燒過程的控制和監(jiān)測(cè)提出了越來越高的要求。通過缸壓信號(hào)可以獲取豐富的有價(jià)值缸內(nèi)燃燒狀態(tài)信息，用于柴油機(jī)的復(fù)雜和重要的功能控制中[1]，比如最高爆發(fā)壓力（Pmax）、平均有效壓力（IMEP）、燃燒放熱率、燃燒始點(diǎn)、燃燒中心位置（CA50）等燃燒特征參數(shù)，是用于柴油機(jī)燃燒閉環(huán)控制和缸內(nèi)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的最佳手段之一。而這些參數(shù)的計(jì)算均需要基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)角對(duì)缸壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，燃燒分析儀是一種標(biāo)準(zhǔn)工具，用于計(jì)算和可視化內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)物理參數(shù)，并監(jiān)測(cè)和保護(hù)被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的燃燒分析儀通過加裝在曲軸上的編碼器來觸發(fā)缸壓信號(hào)采集，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)來說一般會(huì)預(yù)留編碼器的安裝位置，而發(fā)動(dòng)機(jī)定型后通常不再留有編碼器的安裝位置和接口。因此基于原機(jī)的曲軸信號(hào)和控制器硬件平臺(tái)進(jìn)行燃燒閉環(huán)控制功能的開發(fā)，是該技術(shù)能夠得到推廣應(yīng)用的最經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)的技術(shù)途徑。通過缸壓信號(hào)獲取柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)后，再通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣和噴油特性來進(jìn)行優(yōu)化控制，通常普通的進(jìn)氣系統(tǒng)由于調(diào)節(jié)響應(yīng)延遲較大用于燃燒實(shí)時(shí)閉環(huán)控制較難實(shí)現(xiàn)，而燃油系統(tǒng)由于有快速響應(yīng)特性通常作為燃燒閉環(huán)控制必選手段。因此本文基于船用柴油機(jī)噴射控制單元硬件平臺(tái)開展燃燒控制用的缸壓信號(hào)實(shí)時(shí)采集技術(shù)研究。

1 燃燒閉環(huán)控制對(duì)缸壓信號(hào)采集要求

1.1 缸壓采集觸發(fā)方式要求

基于缸壓和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，能得到許多燃燒過程參數(shù)，這些參數(shù)是用于燃燒閉環(huán)控制的重要反饋輸入。其中最大爆壓Pmax被用于監(jiān)控柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷，可被用作檢測(cè)參數(shù)；CA50 作為燃燒過程的中點(diǎn)位置，反映了整個(gè)燃燒過程的相位，而且根據(jù)對(duì) CA50各種研究，CA50 對(duì)排氣溫度有影響，因此CA50 也常作為燃燒閉環(huán)控制的反饋?zhàn)兞縖2]；平均指示壓力 IMEP直接指示柴油機(jī)燃燒的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，可由缸壓計(jì)算得出，可靠性較高[3]，因此 IMEP 也是一個(gè)非常理想的反饋?zhàn)兞俊?/p>

IMEP 定義為單位氣缸工作容積所作的循環(huán)指示功，如式（1）所示，可以通過對(duì)氣缸壓縮和做功沖程對(duì)應(yīng)的的P-V曲線積分計(jì)算得到，Vk為氣缸工作容積。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，IMEP計(jì)算公式：

放熱中點(diǎn)（CA50）是指總放熱量（Total Heat Release,THR）50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的位置，一般用該位置表征燃燒相位。燃燒放熱率計(jì)算公式為：

燃燒狀態(tài)指標(biāo)計(jì)算需要用到的另一系列重要變量為各曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)容積。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí)，某曲軸轉(zhuǎn)角θ對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)容積V（θ）可由式（3）計(jì)算得到。式中：Vc為氣缸余隙容積；D為氣缸直徑；r為 1/2 活塞行程；l為連桿長度[4]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)是基于角度進(jìn)行工作的，且由上述IMEP和燃燒放熱率的離散化計(jì)算公式可知，基于角度對(duì)缸壓信號(hào)進(jìn)行采集，可以方便地得到各計(jì)算步長發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)當(dāng)前容積以及相關(guān)燃燒特征參數(shù)；若采用時(shí)間觸發(fā)進(jìn)行缸壓信號(hào)采集，其采集的時(shí)刻較難與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作角度進(jìn)行同步，且計(jì)算步長需要根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由時(shí)間轉(zhuǎn)換為角度，會(huì)由于轉(zhuǎn)速計(jì)算精度和波動(dòng)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常模擬量AD數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式有2種：一種是基于AD芯片的時(shí)鐘進(jìn)行周期觸發(fā)采樣；另一種是通過外部事件進(jìn)行觸發(fā)采樣。

1.2 缸壓信號(hào)采樣步長的要求

上文論證了燃燒特征參數(shù)的采集需要基于發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角來觸發(fā)，而基于轉(zhuǎn)角以多大的步長進(jìn)行缸壓信號(hào)采集也是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素。理論上，采樣步長越小燃燒特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性越高，但采樣步長過小會(huì)對(duì)控制器存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理能力帶來極大的挑戰(zhàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究論證，在上止點(diǎn)位置識(shí)別誤差不超過0.5° CA的情況下，只要缸壓信號(hào)的采樣步長小于30° CA時(shí)，IMEP計(jì)算結(jié)果的誤差即能小于5%。由此可知，IMEP計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性對(duì)采樣步長的要求不高。而CA50等燃燒分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置參數(shù)往往用來對(duì)噴油或點(diǎn)火正時(shí)進(jìn)行反饋控制，而對(duì)正時(shí)控制來說，精度越高控制效果就越精細(xì)，對(duì)CA50等跟曲軸位置相關(guān)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性也提出了較高的要求，而這將直接由缸壓信號(hào)的采樣步長來決定。

根據(jù)文獻(xiàn)[6 - 7]的分析，要滿足控制柴油機(jī)的需要，缸壓信號(hào)的采集步長不能大于1° CA。根據(jù)文獻(xiàn)[4, 8 - 9]的研究結(jié)果，采樣步長選為0.2° CA可以滿足燃燒閉環(huán)控制?？紤]到本文使用的單片機(jī)CPU處理能力和數(shù)據(jù)RAM空間大小限制，且柴油機(jī)噴油正時(shí)的控制分辨率為0.125° CA，因此本文的缸壓信號(hào)采樣步長定為0.2° CA。以0.2° CA的步長采集壓縮和做功行程360° CA范圍內(nèi)的缸壓信號(hào)，將產(chǎn)生1 800個(gè)采集數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)占用2 b大小，每缸需要占用3.6 kb大小的數(shù)據(jù)RAM空間，若對(duì)20缸的船用柴油機(jī)每缸均采集缸壓信號(hào)，則需使用72 kb的數(shù)據(jù)RAM空間。

1.3 計(jì)算實(shí)時(shí)性要求

如前所述，通常柴油機(jī)的燃燒閉環(huán)控制是基于缸壓信號(hào)計(jì)算燃燒特征狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)進(jìn)氣和燃油系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制。相比于傳統(tǒng)控制方式，燃燒閉環(huán)控制的難點(diǎn)在于燃燒特征狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算實(shí)時(shí)性上，因?yàn)槿紵卣鳡顟B(tài)參數(shù)往往需要以缸壓信號(hào)采樣步長對(duì)整個(gè)工作循環(huán)進(jìn)行迭代計(jì)算（0.2°的采樣步長對(duì)應(yīng)最小迭代次數(shù)為1 800次），該計(jì)算過程用時(shí)較長，在常用的32位單片機(jī)上執(zhí)行通常需若干毫秒；而閉環(huán)控制算法通常使用PID或前饋加PID，其執(zhí)行時(shí)間一般在微秒級(jí)。因此，需重點(diǎn)分析缸壓信號(hào)采集和燃燒特征參數(shù)計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

目前柴油機(jī)的燃燒閉環(huán)控制主要是逐循環(huán)（Cycleby-Cycle）的控制方式，即本循環(huán)的控制輸出是根據(jù)上一個(gè)循環(huán)的燃燒特征參數(shù)計(jì)算得到的，因此為了滿足逐循環(huán)的燃燒閉環(huán)控制要求，缸壓信號(hào)的采集處理以及基于缸壓信號(hào)的燃燒特征參數(shù)計(jì)算，必須在本循環(huán)做功沖程結(jié)束到下一個(gè)循環(huán)壓縮沖程開始前的這段時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角范圍為360°（見圖2）。以典型的中高速船用柴油機(jī)為例，其正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍通常為600～2 250 r/min，按最高計(jì)算轉(zhuǎn)速2 500 r/min進(jìn)行分析，在360°曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為60×1 000/2 500=24 ms。因此對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，基于缸壓信號(hào)的燃燒特征參數(shù)計(jì)算必須在24 ms的時(shí)間內(nèi)完成。

圖2 缸壓信號(hào)采集處理所處時(shí)間段Fig. 2 Time slice of cylinder pressure processing

2 基于嵌入式系統(tǒng)的缸壓信號(hào)采集技術(shù)

為了減少開發(fā)投入并縮短開發(fā)周期，同時(shí)考慮平臺(tái)的通用性，基于柴油機(jī)電子管理系統(tǒng)使用的嵌入式處理器平臺(tái)-英飛凌TC1796芯片進(jìn)行缸壓信號(hào)采集處理技術(shù)的開發(fā)。該芯片是英飛凌Tricore系列32位單片機(jī)，有2 Mb的Flash空間和192 kb的片上RAM，CPU最高工作頻率可達(dá)150 MHz。該芯片架構(gòu)還包含了可獨(dú)立于CPU工作的外設(shè)處理器模塊（PCP）和16個(gè)通道的直接內(nèi)存存取模塊（DMA），具有強(qiáng)大的處理多任務(wù)的能力。外設(shè)中包括32路12 bit精度的普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊（ADC）和、4路10 bit精度的快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊（FADC）以及資源豐富且功能強(qiáng)大的通用定時(shí)器陣列（GPTA）模塊。

2.1 缸壓信號(hào)快速采集處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本文使用TC1796芯片的ADC模塊對(duì)缸壓信號(hào)進(jìn)行采集，再通過DMA模塊直接將采集到的缸壓信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)部R A M的對(duì)應(yīng)位置，該過程由DMA模塊獨(dú)立完成，不占用CPU的資源和時(shí)間。CPU在燃燒特征參數(shù)計(jì)算時(shí)可直接從RAM中讀取缸壓信息進(jìn)行計(jì)算。具體實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 缸壓信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)方式Fig. 3 Realization of cylinder pressure acquisition

2.2 基于角度觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法

為了實(shí)現(xiàn)缸壓信號(hào)基于曲軸轉(zhuǎn)角的采集，本文使用目前柴油機(jī)上已有的噴油正時(shí)控制用的曲軸和凸輪軸信號(hào)作為缸壓信號(hào)的采集基準(zhǔn)，這種方式不需要再對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新改造以加裝轉(zhuǎn)速信號(hào)編碼器，使得基于缸壓的燃燒閉環(huán)控制或缸內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)和便利。

但是用于噴油控制的同步信號(hào)中的曲軸信號(hào)齒通常為58齒（60個(gè)均勻齒去掉2個(gè)齒）的形式，因此其2個(gè)齒之間對(duì)應(yīng)的曲軸角度為6°，根據(jù)前文分析，若直接以6°的角度間隔來觸發(fā)AD模塊進(jìn)行缸壓信號(hào)采集，其精度不能滿足缸內(nèi)燃燒閉環(huán)控制的要求。本文使用TC1796芯片上的通用定時(shí)器陣列（GPTA）模塊的數(shù)字相位鎖相環(huán)（PLL）功能，其功能示意如圖4所示。圖中將輸入信號(hào)的一個(gè)齒較為精確地分成了4個(gè)齒。使用PLL功能模塊對(duì)曲軸信號(hào)進(jìn)行插齒細(xì)分，在2個(gè)齒6°的角度內(nèi)插入60個(gè)微齒（缺齒處插入180個(gè)微齒），轉(zhuǎn)換為每0.1°產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。再使用一個(gè)定時(shí)器單元捕獲該微齒信號(hào)脈沖沿并觸發(fā)對(duì)應(yīng)IO腳的電平翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而作為AD采集的外部觸發(fā)信號(hào)源。

圖4 TC1796單片機(jī)PLL功能示意圖Fig. 4 PLL function of TC1796

2.3 缸壓信號(hào)采集和處理時(shí)序安排

為了計(jì)算IMEP，CA50等參數(shù)，需完整采集壓縮和做功行程內(nèi)的缸壓信號(hào)曲線，因此在壓縮上止點(diǎn)前180° CA位置設(shè)置一個(gè)觸發(fā)中斷，在中斷中使能DMA模塊將AD模塊以0.2° CA步長采集到的缸壓信號(hào)依次移入單片機(jī)數(shù)據(jù)RAM中的對(duì)應(yīng)位置上，共采集1 800個(gè)缸壓信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在壓縮上止點(diǎn)后180° CA位置設(shè)置一個(gè)觸發(fā)事件，調(diào)用燃燒特征參數(shù)計(jì)算函數(shù)，依據(jù)采集到的1 800個(gè)缸壓信號(hào)點(diǎn)執(zhí)行IMEP，CA50等相關(guān)燃燒特征參數(shù)的計(jì)算。

在使用英飛凌TC1796單片機(jī)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，可選擇GPTA模塊中的GTC定時(shí)器單元來配置缸壓信號(hào)采集和燃燒特征參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的觸發(fā)中斷，GTC定時(shí)器單元的時(shí)鐘選為曲軸信號(hào)插齒后輸出的脈沖信號(hào)（PLL output）；定時(shí)器里的比較值需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸信號(hào)零點(diǎn)位置與發(fā)動(dòng)機(jī)各缸上止點(diǎn)的相位關(guān)系進(jìn)行計(jì)算和配置。缸壓信號(hào)的采集和處理時(shí)序具體分配方案如圖5所示。

圖5 缸壓信號(hào)采集及處理時(shí)序Fig. 5 Cylinder pressure acquisition sequence

3 缸壓信號(hào)基于角度的實(shí)時(shí)采集技術(shù)驗(yàn)證

3.1 曲軸角度插齒精度驗(yàn)證

本文的缸壓信號(hào)采集由（60-2）齒（見圖6）的曲軸信號(hào)通過插齒得到的微齒來觸發(fā)的，因此曲軸角度插齒的精度將直接影響后續(xù)基于曲軸角度和缸壓信號(hào)計(jì)算得到的燃燒特征參數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證插齒是否準(zhǔn)確，使用TC1796的GPTA0模塊LTC定時(shí)器單元的沿捕獲功能，將微齒脈沖作為其捕獲的時(shí)鐘信號(hào)，并控制對(duì)應(yīng)的PIN腳的電平翻轉(zhuǎn)輸出，與未處理的曲軸和凸輪信號(hào)一起接入邏輯分析儀中對(duì)插齒準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。圖6為接入的未處理的曲軸和凸輪軸信號(hào)齒，圖7為抓取的插齒效果，在每2個(gè)正常的曲軸信號(hào)上升沿之間插入了60個(gè)微齒脈沖、缺齒處插入180個(gè)微齒脈沖（圖7中的PLL信號(hào)），放大后可以看出微齒信號(hào)分布較均勻，說明插齒后曲軸角度的細(xì)分精度較高，為后續(xù)燃燒特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保證。

圖6 曲軸和凸輪軸信號(hào)齒Fig. 6 Crankshaft and camshaft signal

圖7 曲軸信號(hào)插齒后的微齒效果（圖中上半部分PLL信號(hào)由于信號(hào)齒太密而顯示為白色）Fig. 7 Microteeth of Crankshaft and camshaft signal

3.2 缸壓信號(hào)采集結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證缸壓信號(hào)采集結(jié)果的準(zhǔn)確性，在126缸徑的單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。單缸機(jī)上裝有缸壓傳感器，其出來信號(hào)分為兩路，一路接入燃燒分析儀，一路接入本文的開發(fā)的系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行采集。燃燒分析儀的觸發(fā)信號(hào)來自編碼器（其分辨率為0.1 °CA一個(gè)觸發(fā)齒），本文缸壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)使用試驗(yàn)臺(tái)噴油控制用的曲軸信號(hào)（60-2齒）。

將兩者同時(shí)采集到的缸壓信號(hào)進(jìn)行相位對(duì)齊后，發(fā)現(xiàn)2條曲線基本重合，進(jìn)一步說明本方案的缸壓信號(hào)采集的準(zhǔn)確性較高。

3.3 計(jì)算實(shí)時(shí)性驗(yàn)證

圖8 單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig. 8 Diagram of Single cylinder engine test bench

圖9 單缸機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 Test results of single cylinder engine

如前文所述，借助單片機(jī)的DMA的功能，缸壓信號(hào)的采集完全由單片機(jī)的硬件來實(shí)現(xiàn)，因此缸壓信號(hào)采集過程的實(shí)時(shí)性能夠得到充分保證。實(shí)時(shí)性的瓶頸在于燃燒特征參數(shù)的計(jì)算上，特別是燃燒放熱率的計(jì)算需要將整個(gè)壓縮和做功過程的缸壓和氣缸體積的乘積進(jìn)行積分累加，若要計(jì)算結(jié)果越精確，則缸壓信號(hào)數(shù)據(jù)需要采集的越密集，對(duì)應(yīng)計(jì)算工作量就越大；且氣缸體積的計(jì)算涉及到若干三角函數(shù)公式，其計(jì)算過程也較復(fù)雜。為了保證燃燒特征參數(shù)（IMEP和CA50）計(jì)算的實(shí)時(shí)性，將相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行降維解耦和簡化處理。為了計(jì)算代碼的執(zhí)行時(shí)間，使用德國absint公司的軟件執(zhí)行時(shí)間靜態(tài)分析工具對(duì)燃燒特征參數(shù)計(jì)算任務(wù)的最差情況執(zhí)行時(shí)間（WCET）進(jìn)行靜態(tài)分析，計(jì)算結(jié)果如圖10所示，最惡劣情況下需用時(shí)10.069 ms。另外，通過在代碼中插樁的方法并使用單片機(jī)的定時(shí)器單元計(jì)算代碼實(shí)際執(zhí)行時(shí)的所需時(shí)間，得到執(zhí)行時(shí)間為9.136 ms，滿足柴油機(jī)在全工況范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)性要求。

圖1 燃燒閉環(huán)控制方案示意圖Fig. 1 Combustion closed loop control scheme

圖10 燃燒特征參數(shù)執(zhí)行時(shí)間absint分析結(jié)果Fig. 10 Analysis results of combustion characteristic parameters execution time

4 結(jié) 語

1）本文基于英飛凌TC1796單片機(jī)，面向柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程控制和監(jiān)測(cè)，研究開發(fā)了一種實(shí)時(shí)高精度的缸壓信號(hào)采集技術(shù)。該缸壓信號(hào)采集方案直接使用柴油機(jī)噴油控制的曲軸信號(hào)，不需要加裝編碼器等其他改動(dòng)，以便于在現(xiàn)有柴油機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)換代。

2）為了滿足缸內(nèi)燃燒閉環(huán)控制對(duì)缸壓信號(hào)采集的要求，本文從缸壓信號(hào)采集觸發(fā)的方式、采集步長和計(jì)算實(shí)時(shí)性等方面進(jìn)行分析研究，并基于現(xiàn)有柴油機(jī)噴油控制平臺(tái)對(duì)缸壓信號(hào)實(shí)時(shí)采集處理功能進(jìn)行了軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

3）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案對(duì)缸壓信號(hào)的采集結(jié)果精度和準(zhǔn)確性較高，能夠滿足缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的計(jì)算，且燃燒特征參數(shù)算法執(zhí)行時(shí)間能夠滿足中高速船用柴油機(jī)在其全工況范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)性要求。