董大伟,闫 兵,马红兵,谭达明(西南交通大学,四川成都610031)
中图分类号:TK401 文献标识码:A 文章编号:1000-6494(2002)03-0023-03
内燃机在稳定运转时,虽然其平均转速不变,但瞬时转速却是波动的。假设有一个各缸工作状况绝对一致的理想的多缸内燃机,尽管它的每个缸都应发出相同的扭矩,但各缸的工作冲程却分别在不同的时刻进行。当某一个气缸处于燃烧膨胀过程时,它就有扭矩施加在曲轴上,因而曲轴转速增加。反之,当它处于吸气、压缩及排气过程时,就需要曲轴推动活塞,因而曲轴转速降低。转速波动的情况,取决于内燃机的冲程数、缸数以及排列形式。对于一个直列L缸的四冲程内燃机而言,在一个工作循环内,它的转速应变化L次,其周期按曲轴转角计则为720°/L。而在实际的内燃机上,由于各缸工作不可能绝对一致,它们发出的扭矩不可能完全一样,所以在内燃机的一个工作循环内,其瞬时转速曲线上的各个波形不尽相同。正是这种瞬时转速曲线,含有丰富的信息,可以广泛地应用于内燃机故障诊断及控制中〔1~4〕。所以,准确测量内燃机瞬时转速,研究分析产生其测量误差的原因,以便提高测量精度,具有十分重要的意义。
1 系统的基本工作原理及构成
设在被测轴系上安装了齿数为N的齿盘(每个齿对应的角度为θ0=2π/N),轴系转动τ周(τ与冲程数有关,对二冲程内燃机τ=1,对四冲程内燃机,τ=2)的平均时间为T(转动一个齿的平均时间-t=T/(N·τ),其平均角速度为-ω=2π/T或θ0/-t0。当测出轴系转过第i个齿和第i+1个齿之间的时间差为Δti,则ti时刻瞬时转速为:
测量系统由传感器部分、计算机插卡和软件包等3个基本部分组成。
a·传感器:采用装在轴系上一齿盘旁的一个或两个电磁式传感器。其作用是将轴系的转速变化转变成电信号周期的变化,轴每转动一个齿,传感器输出的电压信号就变化一个周期。轴系在旋转时,若匀速转动,则轴的各瞬时速度都等于其平均速度,这样,传感器输出的每齿一个脉冲信号的重复周期是相同的。而当轴系非匀速转动时,则相当于在其平均速度基础上叠加了一个波动速度。于是传感器输出的脉冲序列就不再是均匀间隔的了,而是一个载波频率被波动速度信号调制的调频信号。
b·计算机插卡:其功能是用硬件方法精确测出传感器输出电信号的周期及其变化规律。传感器输出电压信号经过光电隔离、限幅、放大、整形、单稳等电路后变成PPM信号(即定幅、定宽的脉冲位置调制信号)VS。用VS的上升沿(对应着齿盘上某一齿正好转过传感器的时刻)作为有效沿去申请中断,将计数器当时的输出值ki记录于锁存器中,并使状态字有效;且当状态字有效时,计算机读取锁存器的值,读完后使状态字无效,计数器初期为216-1(计数器在最先初始化时,也置为216-1)。该过程持续下去,直到计算机得到所需的数据点数后停止。设高频晶体振荡器的频率为fc,程控分频器的分频数为d,则轴转过一个齿的时间(即相邻两次VS上升沿所对应的时间差)Δti为
将式(3)代入式(1)和式(2)即得ti时刻(即轴转过第i个齿时)的瞬时转速。
由于在内燃机转动状况的应用中,常常需确定所测瞬时转速中上止点位置,或者要求测试从上止点开始。所以从上止点传感器输出的电压信号同样经光电隔离、放大、限幅、整形、单稳等电路后送PIO端口,前述测量过程必须在该端口信号的上升沿才开始进行。
c·软件包:其功能是实现瞬时转速的计算,数据预处理,数据分析等。数据预处理的目的是降低测量误差,主要有时域平均、低通滤波、剔出错点、双传感器处理方法等。
2 系统测试误差的分析研究
系统测量误差一方面来自传感器部分(包括齿盘的加工误差,齿盘的安装偏心误差等),另一方面来自于计算机插卡硬件及测试软件部分(如:放大倍数、触发电平、计数频率、中断等待、频响等都会给测量带来误差)。下面就影响测量精度的主要因素进行分析研究。
2·1 测量齿盘加工误差
前述测量原理中,是假定齿盘各齿间的齿间距均匀相等,而实际齿盘制造中总存在分齿误差,导致齿间距不均匀。当被测轴匀速转动时,测量的结果不是一条直线,而是随分齿误差分布情况而变化的。这部分误差叫做分齿误差引起的测量误差Ewf。设齿轮的分度误差为△W,则
将式(3)代入式(1)和式(2)即得ti时刻(即轴转过第i个齿时)的瞬时转速。
由于在内燃机转动状况的应用中,常常需确定所测瞬时转速中上止点位置,或者要求测试从上止点开始。所以从上止点传感器输出的电压信号同样经光电隔离、放大、限幅、整形、单稳等电路后送PIO端口,前述测量过程必须在该端口信号的上升沿才开始进行。
c·软件包:其功能是实现瞬时转速的计算,数据预处理,数据分析等。数据预处理的目的是降低测量误差,主要有时域平均、低通滤波、剔出错点、双传感器处理方法等。
2 系统测试误差的分析研究
系统测量误差一方面来自传感器部分(包括齿盘的加工误差,齿盘的安装偏心误差等),另一方面来自于计算机插卡硬件及测试软件部分(如:放大倍数、触发电平、计数频率、中断等待、频响等都会给测量带来误差)。下面就影响测量精度的主要因素进行分析研究。
2·1 测量齿盘加工误差
前述测量原理中,是假定齿盘各齿间的齿间距均匀相等,而实际齿盘制造中总存在分齿误差,导致齿间距不均匀。当被测轴匀速转动时,测量的结果不是一条直线,而是随分齿误差分布情况而变化的。这部分误差叫做分齿误差引起的测量误差Ewf。设齿轮的分度误差为△W,则
式中,R为测量点盘半径。准确地讲,R应为测量齿盘中心与磁电传感器之间的距离。表1给出6~9级加工精度的测量齿盘引起的测量误差Ewf。
此外,齿轮外圆的椭圆度误差,会影响每齿经过传感器时的感应电压的幅值,如计算经过两齿间的时间时采用峰值处理法,就可减小这部分误差的影响。
2·2 测量齿盘安装误差
在齿盘安装误差中,直接影响测量精度的为测量齿盘安装偏心误差。下面分析推导中,假定仅有安装偏心误差。
如图1,A为齿盘的旋转中心,O为其几何中心,安装偏心距为OA=e。若e=0,即无偏心的存在,则∠BAC=∠BOC=2π/N=θm,传感器经过两齿的时间间隔△t可测出,则瞬时转速为ω=∠BAC/△t=θm/△t。但是,当e≠0时,∠BAC≠∠BOC=θm,∠BAC的大小可由下列推导而得:
测量误差Ewe的大小随ep的变化关系见图2。
2·3 测量软硬件误差
从磁电传感器到输出瞬时转速之间的一切误差,包括计数量化误差,磁电传感器和计算机插卡硬件频响、放大倍数和触发电平、计数频率、中断等待等造成的测量误差,统称为测量软硬件误差Es。其中磁电传感器和计算机插卡硬件频响、放大倍数和触发电平、计数频率、中断等待等造成的误差很小,一般在万分之一以下。而计数量化误差Ese为
当fc=14.32 MHz,-n=5000 r/min,N=120时,Ese仅为0.0698%,况且因Es是随机时,可采用多次平均的方法减少这部分误差的影响〔5〕。
3 结论
a·笔者所述测量系统为一种虚拟仪器,其设计合理,操作简便,功能完善。生产和科研等部门的实际应用表明,该系统适用于各种旋转机械的瞬时转速测量分析,也可用于轴系扭振测量分析等,为内燃机故障诊断及控制提供了测试手段。
b·测量齿盘的加工误差和安装误差对瞬时转速测量精度影响较大,对所有磁电式转速测量系统均存在这部分误差。在一般工程应用中,要求测量齿盘有7级以上加工精度,偏心度小于0·002为好。
c·本系统测量软硬件误差很小,在万分之几以下,经多次平均后该误差更小,可忽略不计。
〔参考文献〕
〔1〕 张立梅等·各缸工作不均匀性的诊断研究〔J〕·汽车工程,1996,(5)·
〔2〕 陈祥初等·柴油机转速的测量与应用〔J〕·小型内燃机,1995,(1)·
〔3〕 G。Rizzoni。Diagnosis of individual CylinderMisfires by Signa-ture Analysis of Crankshaft Speed Fluctuations.SAE 890884·
〔4〕 董大伟等·根据曲轴转动状况量化内燃机各缸作功大小的方法研究〔J〕·内燃机工程,1998,(4)·
〔5〕 黄世霖·工程信号处理〔M〕·北京:人民交通出版社,1986·
作者简介:董大伟(1963-),男,四川人,副教授,硕士,主要从事内燃机故障诊断方面的研究。
