內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì)

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摘 要：構(gòu)建完善的內(nèi)燃機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)采集系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)參數(shù)采集、傳輸、分析的重要前提。隨著智能設(shè)備的發(fā)展，使內(nèi)燃機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)延伸到每個(gè)相關(guān)廠家和研發(fā)公司，因此智能化、自動(dòng)化的內(nèi)燃機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)得到了高速的推廣、發(fā)展。文章分別從內(nèi)燃機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)的發(fā)展概況、系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢(shì)等方面介紹論述了內(nèi)燃機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)發(fā)展過程中的重要意義和作用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)參數(shù)；采集系統(tǒng)；智能設(shè)備；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.098

0 引言

隨著全球可利用能源的消耗以每年1%左右的速度持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致的環(huán)境問題日益突出，同時(shí)排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格。在內(nèi)燃機(jī)方面，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)的能源消耗量占國(guó)內(nèi)石油消耗總量的2/3以上[1]，如何減少對(duì)能源資源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的破壞是人們最為關(guān)心的。進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，是對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性進(jìn)行有效分析，對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造的必要手段。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與發(fā)展，對(duì)內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)的采集從最初的人工采集發(fā)展到現(xiàn)在的信息化、自動(dòng)化、智能化，從原來較為單一的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)功能，進(jìn)化升級(jí)得到了實(shí)時(shí)精確的內(nèi)燃機(jī)性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)分析提供了進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘的平臺(tái)。

1 內(nèi)燃機(jī)參數(shù)采集系統(tǒng)的發(fā)展歷程

內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)設(shè)備是在內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中專門用于內(nèi)燃機(jī)的性能測(cè)試、技術(shù)研究及設(shè)計(jì)的專用設(shè)備。國(guó)外對(duì)內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的研究開發(fā)起步較早，從1876年奧托測(cè)錄繪制得到的第一張內(nèi)燃機(jī)示功圖至今[2]，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出了很多成熟的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。上世紀(jì)80年代，我國(guó)從日本的小野公司以及奧地利的AVL公司購(gòu)買引進(jìn)了一些內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集??系統(tǒng)和燃燒分析設(shè)備，這些裝置促進(jìn)了我國(guó)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒分析與采集系統(tǒng)的研發(fā)。雖然國(guó)外采集系統(tǒng)及燃燒分析系統(tǒng)的技術(shù)研究比較成熟，功能強(qiáng)大，但其價(jià)格過于昂貴，對(duì)我國(guó)技術(shù)保密，一旦發(fā)生故障，維修困難。因而開發(fā)國(guó)產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)是非常必要和迫切的，80年代國(guó)內(nèi)廣大的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)和研發(fā)工作者們?cè)谙諊?guó)外先進(jìn)的采集系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，努力奮斗，自主創(chuàng)新，加快了國(guó)內(nèi)采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)，開發(fā)出了一些屬于我們自己的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。

內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要依靠人工，使用大量的各類一次儀表、二次儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)需要手工記錄每個(gè)儀表的測(cè)試數(shù)據(jù)，需要用人工手動(dòng)的方式控制參數(shù)的變化，直到最后曲線的繪制、表格的填寫，均以手工方式來完成。導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)同步性較差，降低了測(cè)試效率與精度，隨后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及存儲(chǔ)的工作量大、效率也低。

20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及發(fā)展，使其在內(nèi)燃機(jī)的數(shù)據(jù)采集方面得到了應(yīng)用，促使內(nèi)燃機(jī)的從試驗(yàn)臺(tái)架采集數(shù)據(jù)信息，由傳統(tǒng)的手工方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘杂?jì)算機(jī)為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單處理，降低了人工對(duì)繁瑣數(shù)據(jù)的處理及勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差[3]。但鑒于當(dāng)時(shí)技術(shù)的不成熟，存在著采集系統(tǒng)維護(hù)難度大，采集到的數(shù)據(jù)丟包率較高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低，成本高、功耗大等缺點(diǎn)。

隨著智能化儀器的進(jìn)步，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善與成熟，原來的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了很大改變。由軟件系統(tǒng)和采集儀器、顯示儀表相互結(jié)合，發(fā)展形成了現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，擁有良好的性能，比最初的以計(jì)算機(jī)、檢測(cè)器構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更準(zhǔn)確好用。降低了系統(tǒng)的功耗與成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)的處理能力得到大幅提高，發(fā)展得到了綜合測(cè)試性質(zhì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使內(nèi)燃機(jī)的性能測(cè)試、數(shù)據(jù)采集得到了快速發(fā)展。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)外已經(jīng)發(fā)展形成了很多著名品牌，形成了一條成熟完整的產(chǎn)業(yè)鏈。國(guó)外目前成熟的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品主要有，如表1所示[4]。這些內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及設(shè)備大多基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，快捷高效，準(zhǔn)確方便。

針對(duì)國(guó)外各種內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品以下分三個(gè)方面進(jìn)行介紹：

2.1 使用功能方面

國(guó)外的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試和對(duì)燃燒特性進(jìn)行分析，因而也被稱為燃燒分析儀。通常其燃燒分析系統(tǒng)以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集模塊作為硬件基礎(chǔ)，并基于WINDOWS組合成簡(jiǎn)捷的用戶界面，系統(tǒng)可以同時(shí)計(jì)算、顯示并記錄每個(gè)氣缸的大量燃燒數(shù)據(jù)，其專業(yè)性強(qiáng)，適合進(jìn)行科學(xué)研究。但其功能較為單一，為全英文界面，軟件功能模塊的拓展功能較少，不能對(duì)其已固化的功能進(jìn)行改變，為加入自己的軟件增加了困難，二次開發(fā)的能力差，且由于其價(jià)格昂貴，所以國(guó)內(nèi)大部分內(nèi)燃機(jī)研究所和相關(guān)院校都難以承擔(dān)。造成了國(guó)內(nèi)相關(guān)單位從國(guó)外購(gòu)買的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品在使用過程中數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析都只能在原始的設(shè)備中運(yùn)行與調(diào)用，不能被調(diào)出到其他設(shè)備進(jìn)行使用。

2.2 性能指標(biāo)方面

國(guó)外內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的各性能指標(biāo)也在不斷提升，如奧地利AVL公司將A/D采樣頻率從250KHz提高到了2MHz，曲軸轉(zhuǎn)角的采樣分辨率從1deg.CA增加到0.025deg.CA。從單通道采樣發(fā)展到8，16或32或更多通道的采樣，通道數(shù)量可以根據(jù)需要任意擴(kuò)展增加。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量也不斷增大。通過外部硬件電路提供的實(shí)時(shí)信號(hào)，并同時(shí)采用PWM技術(shù)對(duì)外部模擬信號(hào)的快速脈沖調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了將內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而輸出軸的角位移，角速度等機(jī)械量的相應(yīng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并以數(shù)字量輸出。使數(shù)據(jù)的采樣方式從異步采樣發(fā)展為同步采樣，減小了異步采樣在進(jìn)行多線程任務(wù)時(shí)數(shù)據(jù)的滯后性所帶來的最終計(jì)算數(shù)據(jù)的誤差。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了從穩(wěn)態(tài)的內(nèi)燃機(jī)工況數(shù)據(jù)采集分析發(fā)展到對(duì)內(nèi)燃機(jī)工況可以進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，存儲(chǔ)、處理和分析。endprint

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成方面

在內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成上，國(guó)外的產(chǎn)品基本分為兩大類：

（1）基于單片機(jī)系列的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如奧地利AVL公司基于摩托羅拉公司的6809和68020 CPU所開發(fā)的AL640/650/660及AVL617/620系列內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；日本小野公司則使用美國(guó)英特爾公司的Z80、51、96系列單片開發(fā)了CB366/466/467/566系列的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）基于計(jì)算機(jī)系列的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如AVL公司的AVL617、AVL620和日本小野公司改進(jìn)升級(jí)的新一代產(chǎn)品DS-9100都是基于計(jì)算機(jī)來進(jìn)行的開發(fā)。在基于計(jì)算機(jī)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中，由A/D采樣板對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在較為固定的試驗(yàn)場(chǎng)所，如試驗(yàn)車間或者學(xué)校實(shí)驗(yàn)室采樣板卡可以放在計(jì)算機(jī)中[5]，而在臨時(shí)的場(chǎng)所進(jìn)行維修檢測(cè)時(shí)可將采集板卡根據(jù)實(shí)際需要放在單獨(dú)的系統(tǒng)中，如基于FPGA和USB轉(zhuǎn)接口的外掛式內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)眾多科研人員經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，研發(fā)出了屬于我們自己的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如上海內(nèi)燃機(jī)研究所研發(fā)的EAS900系列燃燒分析系統(tǒng)、華中科技大學(xué)的HG1208內(nèi)燃機(jī)分析儀、江蘇啟東公司的DJ-GCGZ-A型過程控制多功能檢測(cè)儀、總后車船所汽車發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)儀、湖南湘儀公司的FC2022/FC2020、BFY3000型內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集分析儀等，研究人員通過努力使我國(guó)的內(nèi)燃機(jī)測(cè)試和燃燒分析技術(shù)達(dá)到了世界較高的水平。

針對(duì)國(guó)內(nèi)各種內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品以下從使用功能、性能指標(biāo)、系統(tǒng)構(gòu)成三個(gè)方面分別進(jìn)行介紹：

3.1 使用功能方面

我國(guó)在自身內(nèi)燃機(jī)采集系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)外燃燒分析儀進(jìn)行模仿與改進(jìn)，針對(duì)國(guó)外產(chǎn)品數(shù)據(jù)不能被其他設(shè)備調(diào)用的情況，對(duì)AVL公司的AVL657型內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功的進(jìn)行了二次開發(fā)，使用計(jì)算機(jī)的FORTRAN Ⅳ程序破解了在其PDP11 / 23PLUS配置中AVL SAT格式的文件數(shù)據(jù)，成功地在其他設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了調(diào)用。針對(duì)國(guó)外老化的設(shè)備難以維修，有時(shí)甚至無法維修，無法進(jìn)行升級(jí)換代的情況，國(guó)內(nèi)的研發(fā)者將AVL657型內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的PDP11 / 23PLUS和VT100終端系統(tǒng)由普通的486機(jī)代替，以及對(duì)AVL657的原裝軟件進(jìn)行自編程，實(shí)現(xiàn)了原有功能移植到普通PC機(jī)上，結(jié)合上述對(duì)其數(shù)據(jù)在其他設(shè)備調(diào)用的開發(fā)，得到了AVL657 / 656的實(shí)用程序升級(jí)包。國(guó)內(nèi)使用AVL657 / 656的多家單位均采用了此技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)研發(fā)者對(duì)內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)，研發(fā)出了適合我國(guó)國(guó)情的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如啟東的DJ-GCGZ-A型采集儀，以PC機(jī)為操作平臺(tái)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換保存為多種數(shù)據(jù)格式，方便了在其他設(shè)備中的調(diào)用，并在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了此產(chǎn)品的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

3.2 性能指標(biāo)方面

當(dāng)前國(guó)內(nèi)開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D采樣頻率的范圍是從100KHz到1MHz，曲軸轉(zhuǎn)角的采樣分辨率精度為1deg.CA到0.1deg.CA，采樣通道數(shù)量為4～8。因此，無論是A/D采樣頻率，還是曲軸轉(zhuǎn)角的采樣精度跟國(guó)外的產(chǎn)品還無法相比，如湘儀公司的BFY3000型內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力測(cè)量?jī)x，基于CAN總線技術(shù)使A/D采樣頻率提高到1MHz，曲軸轉(zhuǎn)角的采樣精度為0.18deg.CA，且為單通道采集，目前在國(guó)內(nèi)只能在一般情況下使用，但內(nèi)燃機(jī)的工作過程復(fù)雜多變，其性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且基本上進(jìn)行的是內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)研究，測(cè)量結(jié)果僅有一定的參考價(jià)值，研究?jī)r(jià)值與國(guó)外相比還相對(duì)較低，因而與國(guó)外先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集儀器相比依然有一定的差距。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成方面

國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成類型與國(guó)外類似，同樣可分為兩類：

（1）基于單片機(jī)系列的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)大部分研發(fā)單位采用英特爾公司的MCS-31、51等系列的8位單片機(jī)和少量的16位MCS-96系列單片機(jī)進(jìn)行采集系統(tǒng)的開發(fā)，將傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大以后通過濾波器濾除干擾信號(hào)，然后由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入單片機(jī)，再由單片機(jī)對(duì)此數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析與計(jì)算處理，最終通過外部設(shè)備進(jìn)行顯示。

（2）基于計(jì)算機(jī)與采集板卡系列的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如湘儀公司的FC2020/2022發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集儀，其采集過程與基于單片機(jī)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)類似，不同的是其對(duì)數(shù)據(jù)的采集是通過采集板卡來完成（如基于PCI/ISA總線技術(shù)），對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理與分析則是通過計(jì)算機(jī)來完成的[6]。

4 結(jié)束語

相比之下，國(guó)外的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)更加系統(tǒng)化與商業(yè)化，如奧地利AVL公司的AVL-BOOST/CRUISE/EXCITE/FIRE等系列產(chǎn)品，德國(guó)FEV公司的FEVIS、FEV-TCM/CAS等系列產(chǎn)品。AVL617/620、FEV-IS/CAS等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)燃機(jī)工況的數(shù)據(jù)采集，而且數(shù)據(jù)的精度與時(shí)效性得到了很大提升。如今的AVL-BOOST/FIRE等產(chǎn)品又實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)燃機(jī)工況的模擬，更便于研發(fā)人員進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)舊機(jī)型的升級(jí)改造與新型內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)。而國(guó)內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析產(chǎn)品則在數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度、快速性、數(shù)據(jù)分析與處理功能的全面性，使用的便捷性、可靠性等方面與國(guó)外存在一定的差距。而這些正是國(guó)內(nèi)目前在開發(fā)內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)過程中的技術(shù)難點(diǎn)。

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、測(cè)量與控制技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等各類工業(yè)新技術(shù)的發(fā)展。各種智能化、自動(dòng)化的采集軟件與設(shè)備快速發(fā)展、應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)可以抓住科技快速發(fā)展的時(shí)代機(jī)遇，根據(jù)我們自己的需要與實(shí)際情況，大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備，消化吸收國(guó)外先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)，不斷研發(fā)符合我國(guó)國(guó)情的新一代內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)， 不僅要能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)與準(zhǔn)確的采集，同時(shí)也應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)工況的模擬，并對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作過程進(jìn)行有效的控制，以滿足我國(guó)的科學(xué)研究和生產(chǎn)需求，并努力開拓與占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)。

目前國(guó)外已經(jīng)開始基于數(shù)字信號(hào)處理器芯片來進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)，并得到了初步的商業(yè)化產(chǎn)品，如搭載AD210X系列數(shù)字信號(hào)處理器芯片的升級(jí)版AVL617。而國(guó)內(nèi)目前對(duì)內(nèi)燃機(jī)采集系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)還沒有成功得到使用DSP芯片的商業(yè)化數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，DSP芯片價(jià)格適中，二次開發(fā)能力強(qiáng)，符合我國(guó)國(guó)情。不僅對(duì)于國(guó)外，對(duì)我國(guó)這也將是一個(gè)很好的研究與開發(fā)方向。

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天津科委一般項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：15JCYBJC21300；科委特派員項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：16JCTPJC53500。

作者簡(jiǎn)介：張德福（1970-），男，博士，副教授。endprint