全自動(dòng)柴油十六烷值測(cè)定機(jī)研究

夏 良

(上海神開石油儀器有限公司，上海 201114)

0 引言

柴油的十六烷值是柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)的著火性質(zhì)指標(biāo)，采用與被測(cè)試樣具有相同著火滯后期的標(biāo)準(zhǔn)燃料中正十六烷的體積百分?jǐn)?shù)表示[1]。柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中是被壓燃的。十六烷值低的柴油不易被壓燃，著火滯后期長(zhǎng)；而十六烷值高的柴油易被壓燃，著火滯后期短。十六烷值并不是越高越好。該值過高不僅會(huì)影響柴油的另一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)(即凝固點(diǎn))，還會(huì)破壞燃燒性能，使熱功率下降、油耗增加。

傳統(tǒng)的柴油十六烷值測(cè)定機(jī)在燃油切換、燃油流量測(cè)定、燃油噴射正時(shí)、壓縮比調(diào)節(jié)等方面需人為操作、判斷，對(duì)試驗(yàn)操作人員有著極其高的要求。因此，提高測(cè)定機(jī)的自動(dòng)化程度有著極大的意義。

1 測(cè)定機(jī)設(shè)計(jì)原理

全自動(dòng)柴油十六烷值測(cè)定機(jī)的基本設(shè)計(jì)原理如下。將試樣、1#副標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物、2#副標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物、檢驗(yàn)燃料等燃料分別放置在4個(gè)儲(chǔ)油罐中。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后：相位傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角度，溫度傳感器檢測(cè)進(jìn)氣溫度、噴嘴水套溫度、內(nèi)循環(huán)水套溫度、潤(rùn)滑油溫度；壓力傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油壓力、曲軸箱負(fù)壓等。當(dāng)所有規(guī)定操作條件符合要求后，通過控制電磁閥，接通試樣燃料罐。試樣依次進(jìn)入電控單體泵、流量管、高壓油管、噴槍等。當(dāng)流量管檢測(cè)到燃油，10 s后切斷試樣燃料罐；同時(shí)，自動(dòng)接通放空電磁閥，5 s后關(guān)閉放空電磁閥。如此操作至少2次(次數(shù)可設(shè)置)，目的為清洗管路。自動(dòng)接通試樣燃料罐，當(dāng)流量管檢測(cè)器檢測(cè)到燃油后，燃油在電控單體泵中開始建壓。當(dāng)高壓油管中的壓力高于10.3 MPa時(shí)，燃油通過噴槍噴嘴偶件霧化后進(jìn)入預(yù)燃燒室內(nèi)燃燒。在此過程中：由流量管的流量檢測(cè)器檢測(cè)燃料流量、噴油檢測(cè)器檢測(cè)噴油時(shí)間點(diǎn)、爆震傳感器檢測(cè)燃料壓燃時(shí)間點(diǎn)；通過位置傳感器檢測(cè)燃油在流量為13 mL/m、噴油提前角為13°、著火滯后期為13°時(shí)的小活塞位置，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。隨后，分別自動(dòng)檢測(cè)1#副標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物、2#副標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物的小活塞位置，過程同試樣檢測(cè)。最后，通過內(nèi)插法自動(dòng)計(jì)算出試樣的十六烷值。檢驗(yàn)燃料用于檢查十六烷值測(cè)定機(jī)評(píng)價(jià)柴油十六烷值的準(zhǔn)確性，測(cè)試過程同試樣檢測(cè)。

測(cè)定機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 測(cè)定機(jī)設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Determination machine design schematic

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框圖

應(yīng)用觸摸工業(yè)電腦實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，采用RS-232與微控制單元(microcontroller unit,MCU)進(jìn)行通信，對(duì)測(cè)定機(jī)進(jìn)行指令輸入及信號(hào)顯示、記錄等。溫度傳感器分別實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度、潤(rùn)滑油溫度、內(nèi)循環(huán)水套溫度、噴嘴水套溫度和燃油溫度。其中:進(jìn)氣口設(shè)有加熱系統(tǒng)，應(yīng)用比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，控溫精度達(dá)到±0.5 ℃；發(fā)動(dòng)機(jī)底部設(shè)有加熱系統(tǒng)，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行開機(jī)前的預(yù)熱，縮短熱機(jī)時(shí)間。壓力傳感器分別實(shí)時(shí)檢測(cè)管路中潤(rùn)滑油的壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱中的負(fù)壓，保障測(cè)試過程符合規(guī)定操作條件。對(duì)相位檢測(cè)器、噴油檢測(cè)器、電控單體泵及電子控制單元 (electronic control unit,ECU)[2]的檢測(cè)控制是實(shí)現(xiàn)噴油提前角自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整到上止點(diǎn)前(13±0.2)°的關(guān)鍵；對(duì)噴油檢測(cè)器、爆震檢測(cè)器、位置檢測(cè)器及對(duì)壓縮比電機(jī)等的檢測(cè)控制是實(shí)現(xiàn)著火滯后期自動(dòng)調(diào)整到(13±0.2)°和區(qū)分燃油十六烷值的關(guān)鍵[3]；對(duì)流量檢測(cè)器、電控單體泵及ECU、電磁閥的檢測(cè)控制是實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)調(diào)整到(13±0.2)mL/min的關(guān)鍵；對(duì)電磁閥及放空電磁閥的邏輯控制實(shí)現(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)過程自動(dòng)切換燃油及自動(dòng)管路清洗。

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示。

圖2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖Fig.2 General block diagram of electrical system design

2.2 噴油提前角自動(dòng)調(diào)整的研究

噴油提前角自動(dòng)調(diào)整流程如圖3所示。

圖3 噴油提前角自動(dòng)調(diào)整流程圖Fig.3 Flowchart of Injection advance angle automatic adjustment

2.3 著火滯后期自動(dòng)調(diào)整的研究

通過控制壓縮比電機(jī)來改變小活塞在燃燒室內(nèi)的位置，可改變壓燃時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)B為(13±0.2)°時(shí)，自動(dòng)記錄小活塞位置。本文通過激光傳感器檢測(cè)小活塞位置，量程為20 mm，精度為35 μm，輸出4～20 mA電流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)入MCU的A/D引腳。

著火滯后期自動(dòng)調(diào)整流程如圖4所示。

圖4 著火滯后期自動(dòng)調(diào)整流程圖Fig.4 Flowchart of automatic fire lag time adjustment

2.4 燃油流量自動(dòng)調(diào)整的研究

在試驗(yàn)過程中，精確控制燃油流量對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定柴油十六烷值有著非常重要的影響。本設(shè)計(jì)中，在關(guān)閉電磁閥的狀態(tài)下，燃油流量是通過安裝在流量管上的流量檢測(cè)器測(cè)定的。流量檢測(cè)器由光電二級(jí)管和光電三極管組成，分為上、下兩組。光電二極管功率恒定。凹液面經(jīng)過光電組時(shí)，光電三極管接收的光強(qiáng)發(fā)生變化，從而改變輸出信號(hào)[4-8]。該信號(hào)經(jīng)處理后由MCU的A/D引腳采集。凹液面經(jīng)過上光電檢測(cè)時(shí)開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過下光電檢測(cè)時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，根據(jù)所用時(shí)間計(jì)算出燃油流量。如果流量不為(13±0.2) mL/min，通過控制ECU來調(diào)整電控單體泵電磁閥的關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)。

燃油流量自動(dòng)調(diào)整流程如圖5所示。

圖5 燃油流量自動(dòng)調(diào)整流程圖Fig.5 Flowchart of automatic fuel flow adjustment

3 軟件設(shè)計(jì)

基于WIN7平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)采用上位工業(yè)電腦與下位單片機(jī)形式、采用Modbus通信協(xié)議編寫。上位機(jī)在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境下，應(yīng)用C++語言編寫，實(shí)現(xiàn)人機(jī)“對(duì)話”。下位機(jī)在MPLAB環(huán)境下，采用C語言編寫。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用模塊化設(shè)計(jì)，包括以下模塊。測(cè)試過程控制模塊主要控制測(cè)試過程步驟。設(shè)備工況監(jiān)測(cè)模塊主要以動(dòng)態(tài)波形形式實(shí)時(shí)顯示設(shè)備各工作參數(shù)。數(shù)據(jù)庫讀寫模塊采用Sqlite開源嵌入式輕型數(shù)據(jù)庫[9-12]，存儲(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果及一些工況參數(shù)。參數(shù)配置讀寫模塊用于讀寫設(shè)備配置數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、小活塞位置的標(biāo)定數(shù)據(jù)、進(jìn)氣溫控PID參數(shù)、扭力限定值等，文件以ini文件存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management system,LIMS)及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊基于網(wǎng)口或無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、分析、報(bào)告和管理[13]，以及設(shè)備工況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及診斷。中外文加載模塊采用加載外部ini文件來實(shí)現(xiàn)中外文的切換。數(shù)據(jù)打印模塊有熱敏打印和外接打印機(jī)打印。限幅濾波平均算法模塊是針對(duì)噴油提前角、著火滯后期的數(shù)據(jù)采集而進(jìn)行的濾波算法，具體如下:取N個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)組成隊(duì)列，遵照先進(jìn)先出原則，保證隊(duì)列固定長(zhǎng)度為N；采用冒泡排序，在隊(duì)列中的中間段數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序在主循環(huán)及各中斷中運(yùn)行，用于各種信號(hào)的采樣、算法執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理及各種執(zhí)行單元的控制。系統(tǒng)初始化是指對(duì)MCU的各個(gè)I/O引腳、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、直接存儲(chǔ)器、通用異步收發(fā)器等進(jìn)行初始設(shè)置。設(shè)備工況信息采樣主要是通過PT100傳感器對(duì)進(jìn)氣溫度、潤(rùn)滑油溫度、內(nèi)循環(huán)冷卻水套溫度、噴嘴水套溫度和燃油溫度進(jìn)行采集，將管路中潤(rùn)滑油壓力、曲軸箱負(fù)壓通過壓力傳感器輸出的4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)入MCU的A/D引腳。PID溫控算法是對(duì)加熱器輸出功率進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣溫度(66±0.5)℃、潤(rùn)滑油溫度(57±8)℃的試驗(yàn)要求。數(shù)據(jù)傳輸是應(yīng)用MCU的UART模塊接收上位機(jī)的命令，解析后執(zhí)行并反饋相應(yīng)信息。信號(hào)瞬間捕獲是獲取各個(gè)信號(hào)中斷的時(shí)間點(diǎn)，如噴油、爆震、相位、光強(qiáng)等信號(hào)，計(jì)算出各個(gè)信號(hào)之間的角度差或時(shí)間差，從而獲得噴油提前角、著火滯后期、流量等試驗(yàn)條件參數(shù)。信號(hào)執(zhí)行是對(duì)執(zhí)行元件的控制，如：通過對(duì)電磁閥、放空電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)燃油自動(dòng)切換和油路自動(dòng)清洗；通過對(duì)壓縮比電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)小活塞位置的自動(dòng)改變；通過對(duì)電控單體泵的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油時(shí)間點(diǎn)及噴油流量的自動(dòng)調(diào)整。

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Block diagram of slave computer program design

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

全自動(dòng)柴油十六烷值測(cè)定機(jī)樣機(jī)完成后，多次在高檢、低檢的評(píng)定上符合標(biāo)準(zhǔn)。在油樣的評(píng)定方面，重復(fù)性也符合標(biāo)準(zhǔn)，并比手動(dòng)操作的測(cè)定機(jī)平均高出0.1個(gè)指標(biāo)。同時(shí)，進(jìn)行了同類機(jī)型(WAUKESHA測(cè)定機(jī)、我司手動(dòng)操作測(cè)定機(jī)和全自動(dòng)測(cè)定機(jī))的再現(xiàn)性數(shù)據(jù)對(duì)比，本文設(shè)計(jì)同樣符合標(biāo)準(zhǔn)要求。3種機(jī)型對(duì)同一油樣評(píng)定對(duì)比如表1所示。

表1 油樣評(píng)定對(duì)比

5 結(jié)論

全自動(dòng)柴油十六烷值測(cè)定機(jī)在手動(dòng)柴油十六烷值測(cè)定機(jī)的基礎(chǔ)上增加了在試驗(yàn)過程中燃油的自動(dòng)切換、燃油管路的自動(dòng)清洗、燃油流量的自動(dòng)調(diào)整、噴油提前角的自動(dòng)調(diào)整、壓縮比小活塞位置的自動(dòng)調(diào)整等功能，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)定機(jī)試驗(yàn)過程的自動(dòng)化。對(duì)于操作人員來說，該設(shè)計(jì)降低了對(duì)人員技能的要求、減少了工作量、降低了工作強(qiáng)度；從試驗(yàn)結(jié)果來看，該設(shè)計(jì)減少了人員操作的差異、提高了試驗(yàn)結(jié)果的可信度，且測(cè)試結(jié)果符合GB/T 386—2010、ASTM D613—2008標(biāo)準(zhǔn)。