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摘要
研發(fā)新的燃油涉及到一家石油公司的多個(gè)領(lǐng)域以及多種試驗(yàn)，包括基于底盤測功機(jī)的車輛排放試驗(yàn)以及基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)室的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)。尤其是對(duì)于柴油以及汽柴油混合燃料，一個(gè)重要的試驗(yàn)就是評(píng)估車輛冷起動(dòng)過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。
在該工作中，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線分析，技術(shù)人員研發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)通過使用發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈信息以及一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦的音頻輸入端口來獲取信息。同時(shí)，研發(fā)了一套精確的軟件來分析所獲得的信號(hào)。該系統(tǒng)可以給出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的許多重要信息，如起動(dòng)電機(jī)開始運(yùn)行時(shí)間，停止時(shí)間以及發(fā)動(dòng)機(jī)怠速。所有這些信息都通過一個(gè)廉價(jià)的儀器裝備被采集。這個(gè)系統(tǒng)同樣可以分析，發(fā)動(dòng)機(jī)的某個(gè)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的微小波動(dòng)。
因此，本文推薦了一種可以用于不同車輛以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分析的簡單以及廉價(jià)的程序，任何試驗(yàn)室都可以實(shí)施的。

說明
新燃油混合物的研究包含多種基于臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)以及基于車輛自身的試驗(yàn)。其中的一些試驗(yàn)包括排放試驗(yàn)，氣門沉積物，動(dòng)力性試驗(yàn)等等。其中的一項(xiàng)為發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)評(píng)估瞄準(zhǔn)確定排放物，如參考文獻(xiàn)[1]和[2]中所示，以及冷起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定怠速的時(shí)間?？紤]到這些，該研究提出了一種方法以及一套系統(tǒng)來獲取發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始階段的轉(zhuǎn)速。下文中將介紹研發(fā)的系統(tǒng)如何獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，起動(dòng)過程信號(hào)的理論研究以及定性起動(dòng)過程的重要參數(shù)。最終，討論了該系統(tǒng)的新的可能性。

方法
本部分描述如何獲取以及處理飛輪齒圈信號(hào)的方法，以確定發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速曲線。第一步，需要確定傳感器的型號(hào)及其在車輛上的安裝位置。在該項(xiàng)工作中，車輛有一個(gè)霍爾傳感器。第二步，需要研發(fā)新的硬件來獲取車輛轉(zhuǎn)速信號(hào)并將其發(fā)送至電腦。最后，通過兩個(gè)軟件來獲取轉(zhuǎn)速曲線：一個(gè)獲取信號(hào)，另一個(gè)用來處理信號(hào)。接下來的章節(jié)將會(huì)介紹更加詳細(xì)的情況。

霍爾傳感器
霍爾傳感器是一種當(dāng)磁場變化時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生變化的傳感器,參考文獻(xiàn)[3]。在汽車工業(yè)中，這種傳感器被廣泛應(yīng)用在車輛上來獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在機(jī)體內(nèi)的位置。一般情況下，這種傳感器直接附屬于飛輪齒圈。在本論文中，它被應(yīng)用到柴油機(jī)皮卡上，傳感器位于車輛前部的發(fā)動(dòng)機(jī)下面。
飛輪齒圈有一組磁性齒牙，當(dāng)這些齒牙經(jīng)過傳感器時(shí)可以在霍爾傳感器中產(chǎn)生電壓。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)一開始轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖，通過脈沖寬度能夠得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖1距離說明了這種傳感器，飛輪齒圈以及產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。在飛輪中，同時(shí)存在一些非磁性齒牙，用來確定活塞在燃燒室內(nèi)的位置。所以，磁性齒牙以及非磁性齒牙的數(shù)量是進(jìn)行信號(hào)分析前最先需要確定的事情。


硬件
試驗(yàn)用到的硬件僅僅是一根線纜和一個(gè)電路，用來降低通過終端的電壓，證明文章前面提到過的這是一個(gè)廉價(jià)系統(tǒng)。這根線纜一端裝有一個(gè)相容的P2插頭用來連接筆記本電腦，另一端是一對(duì)鱷魚嘴夾子，用來連接傳感器。
用來降低電壓的電路是一個(gè)由兩個(gè)電阻構(gòu)成的簡單的電壓分配回路，其中R1的阻值為33kΩ，R2的阻值為270Ω。選擇這樣兩個(gè)電阻是為了確保以下兩個(gè)方面：
電壓分配應(yīng)該降低電壓至10，這意味著R2/(R1+R2)=1/10，同時(shí)；
該電路必須具有高阻抗以保證不會(huì)干擾車輛的正常功能，這意味著R1與R2的取值要很大。
圖2給出了電壓分配電路的示意圖。


軟件
軟件由兩部分構(gòu)成：其中一部分用來獲取數(shù)據(jù)，另一部分用來處理信號(hào)。獲取的轉(zhuǎn)速信號(hào)使用Windows的“錄音機(jī)”應(yīng)用程序進(jìn)行處理，如圖3所示。用戶需要起動(dòng)錄音機(jī)而后發(fā)動(dòng)車輛。記錄一分鐘的數(shù)據(jù)，必須保存記錄數(shù)據(jù)。


在保存對(duì)話框里，可以將采集到的數(shù)據(jù)存為WAV格式。此外，可以設(shè)置成其他一些音頻參數(shù)，如：樣本率，單聲道或立體聲等等，如圖4所示。在本文中，設(shè)置為單聲道，樣本率為48kHz。


聲音文件處理是通過一個(gè)用MATLAB編寫的程序參考文獻(xiàn)[4]計(jì)算的。通過改程序載入WAV文件，計(jì)算并測量脈沖寬度，并計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。最后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被顯示給用戶。圖5給出了該系統(tǒng)的示意圖。

識(shí)別齒牙數(shù)量
飛輪齒圈磁性及非磁性齒牙數(shù)量是通過一個(gè)簡單的試驗(yàn)來確定的。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)采集霍爾傳感器信號(hào)。信號(hào)與圖6中所示的相似。

很明顯，圖中顯示出了一種圖案包含幾個(gè)短的脈沖緊接著一個(gè)長的脈沖，代表每個(gè)磁性齒牙經(jīng)過霍爾傳感器的情形。長脈沖信號(hào)代表沒有在霍爾傳感器中產(chǎn)生感應(yīng)的非磁性齒牙。

飛輪齒圈的齒牙數(shù)量可以通過圖6及圖7確定。圖6可以發(fā)現(xiàn)55個(gè)短脈沖代表磁性齒牙數(shù)量。長脈沖信號(hào)代表連續(xù)的非磁性齒牙。從圖7中可以看到，長脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間接近段脈沖信號(hào)的5倍；故而有5個(gè)非磁性齒牙。


計(jì)算程序
圖8描述了計(jì)算程序的流程圖，基本上，它測量脈沖時(shí)間長度。它跨越了整個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)置及計(jì)算，并且記錄了兩組不同類型的信息:段脈沖持續(xù)時(shí)間以及兩個(gè)連續(xù)長脈沖之間的時(shí)間間隔。第一種信息可以測量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速第二種信息會(huì)給出每轉(zhuǎn)一圈的平均轉(zhuǎn)速。
計(jì)算程序的結(jié)果是一幅圖像顯示發(fā)動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及平均轉(zhuǎn)速。這些圖像對(duì)于確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的一些特性有用，這將在下面的章節(jié)中討論。

發(fā)動(dòng)機(jī)速度曲線模型
圖9給出了一種典型的發(fā)動(dòng)機(jī)速度曲線。里面有一些特性值得注意。這些特性是：起動(dòng)電機(jī)的作用時(shí)間（Tm），發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速（Ro），爬升階段（Ts），發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（Re），達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)間（Tp）以及穩(wěn)定時(shí)間（Te）。

曲線中的參數(shù)可以用來評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)品質(zhì)或者用于不同燃油、不同車輛間或者兩種同時(shí)包括的比較研究。另外，他們也是診斷機(jī)械失效原因所必須的有價(jià)值信息參考文獻(xiàn)[5]。起動(dòng)過程中可能發(fā)生的故障：
起動(dòng)時(shí)間過長：在低溫環(huán)境下起動(dòng)時(shí)間超過2S；
冷起動(dòng)失?。喊l(fā)動(dòng)機(jī)在10S內(nèi)沒有成功起動(dòng)；
起動(dòng)失?。喊l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)但是關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)后立即停車；
不規(guī)則的怠速運(yùn)行：怠速不規(guī)則，發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)明顯；
振動(dòng)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速循環(huán)波動(dòng)，甚至不踩加速踏板時(shí)也存在；
游車：當(dāng)打開節(jié)氣門時(shí)，車輛沒有及時(shí)反饋，有可能導(dǎo)致熄火；
瓶頸：在車輛移動(dòng)過程中加速率短暫但是顯著的降低；
爆炸：因發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)油氣混合物的不正常點(diǎn)火引起的金屬敲擊聲；
回火：車輛進(jìn)氣門或排氣門內(nèi)放炮；
發(fā)動(dòng)機(jī)熄火：點(diǎn)火開關(guān)開啟過程中發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
試驗(yàn)
研發(fā)的系統(tǒng)在兩臺(tái)皮卡柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。圖10給出了兩臺(tái)柴油機(jī)的區(qū)別。車輛B看上去起動(dòng)時(shí)間要比車輛A起動(dòng)時(shí)間長。

圖11顯示的是使用不同燃油混合物時(shí)進(jìn)行相同的試驗(yàn)所產(chǎn)生的不同結(jié)果。在該案例中，車輛A的起動(dòng)時(shí)間比車輛B的起動(dòng)時(shí)間要長。

注釋
盡管獲取發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線很容易，所研發(fā)的系統(tǒng)能夠獲得定性描述發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)所需信息，此外，能夠給出發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)的詳細(xì)轉(zhuǎn)速信息。圖12顯示的是兩條曲線，其中的藍(lán)線代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，紅線代表發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速?？梢钥闯?，不同通過一個(gè)固定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升達(dá)到怠速，而是圍繞平均速度來回震蕩提升的。


前面提到的行為可以通過兩方面來解釋：燃燒室內(nèi)活塞速度并不一致，同時(shí)活塞曲軸間的傳遞作用并不是線性的。
燃燒室內(nèi)活塞速度并不一致是因?yàn)槟骋凰查g發(fā)動(dòng)機(jī)正在做正功這會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)加速；某一瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮油氣混合物會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，其他的許多變動(dòng)也會(huì)影響活塞的速度，如：點(diǎn)火時(shí)刻，壓縮比，燃空比，僅僅列舉這些。
轉(zhuǎn)速震蕩的另外一個(gè)原因是由于曲軸與活塞速度間的非線性關(guān)系參考文獻(xiàn)[2]，圖13中舉例進(jìn)行了說明。這個(gè)關(guān)系可由下式表示：
式中
S：曲軸軸心與活塞銷中心間距；
Θ：曲軸轉(zhuǎn)角；
a:曲柄半徑；
l：連桿長度

圖13顯示了活塞連接到曲軸情況，參考文獻(xiàn)[6]說明。
可以看出，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速類似于一個(gè)正弦波，并且對(duì)于每一轉(zhuǎn)有兩個(gè)周期的正弦波，見圖14。這個(gè)現(xiàn)象可以從2個(gè)方面解釋。發(fā)動(dòng)機(jī)每2轉(zhuǎn)完成一個(gè)熱力循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)有4個(gè)氣缸。所以，對(duì)于每一轉(zhuǎn)，都有2個(gè)沖程。

圖14同樣顯示出，更多信息可以從瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線上解讀出。同樣的，通過缸壓曲線可以分析每度曲軸轉(zhuǎn)角下噴油或點(diǎn)火；近似的分析可以應(yīng)用于氣缸的容積變化曲線，進(jìn)而獲得有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的更多信息。

在汽油機(jī)上的應(yīng)用
開發(fā)的系統(tǒng)同樣可以用于分析汽油機(jī)冷起動(dòng)。對(duì)于此，僅需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行兩個(gè)微小改動(dòng)。線纜的一段必須連接一個(gè)小爪子，通過點(diǎn)火脈沖來獲取信號(hào)，不再是通過飛輪齒圈。同時(shí)軟件也會(huì)有一些不同，但是同樣很簡單。需要測量兩個(gè)連續(xù)峰值電壓間的時(shí)間間隔。圖15給出了新的構(gòu)成。


點(diǎn)火信號(hào)的例子在圖16中給出。為了處理這個(gè)信號(hào)，需要定義一個(gè)最低電壓門檻，以便識(shí)別有效點(diǎn)火脈沖同時(shí)一個(gè)算法程序可以計(jì)算連續(xù)點(diǎn)火信號(hào)間的時(shí)間間隔。圖17中的數(shù)據(jù)顯示了一臺(tái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的速度曲線。在冷起動(dòng)初期以外，推薦系統(tǒng)可以監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所以可做其他用途，如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。


總結(jié)/結(jié)論
在本研究中，介紹了一種廉價(jià)的系統(tǒng)來獲取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速曲線。就像前面敘述的那樣，該系統(tǒng)并不昂貴也不復(fù)雜。需要一個(gè)筆記本電腦，一根電纜以及一個(gè)電壓降低回路以及一個(gè)軟件來處理信號(hào)。需要格外注意的是需要一些汽車硬件知識(shí)以便于確定傳感器的類型及安裝位置。這是布置該系統(tǒng)最復(fù)雜的一環(huán)。


這個(gè)簡單的系統(tǒng)可以識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程中的重要信息，如：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速以及最高過沖轉(zhuǎn)速。同時(shí)，通過對(duì)轉(zhuǎn)速分析可以從數(shù)據(jù)中獲得更多信息。通過使用一個(gè)高分辨率的角碼器以及高采樣頻率的數(shù)據(jù)采集裝備，可以獲得更多的發(fā)動(dòng)機(jī)信息，例如點(diǎn)火時(shí)刻，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻以及排氣門開啟時(shí)刻等等。
最后，值得注意的是該系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于汽油機(jī)。在這些應(yīng)用中，可以通過一些改動(dòng)采集點(diǎn)火信號(hào)以及確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。