內燃機數據采集系統的發展及趨勢

張德福　高金龍　黃春焱

摘 要：構建完善的內燃機實時運行參數采集系統，是實現內燃機參數采集、傳輸、分析的重要前提。隨著智能設備的發展，使內燃機參數采集系統延伸到每個相關廠家和研發公司，因此智能化、自動化的內燃機參數采集系統得到了高速的推廣、發展。文章分別從內燃機參數采集系統的發展概況、系統的應用現狀及未來的發展趨勢等方面介紹論述了內燃機參數采集系統在內燃機發展過程中的重要意義和作用。

關鍵詞：內燃機參數；采集系統；智能設備；應用現狀；發展趨勢

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%左右的速度持續增長，導致的環境問題日益突出，同時排放法規也日趨嚴格。在內燃機方面，我國內燃機的能源消耗量占國內石油消耗總量的2/3以上[1]，如何減少對能源資源的消耗，降低對環境的破壞是人們最為關心的。進行內燃機臺架性能試驗，對內燃機運行參數進行實時監控與分析，是對內燃機的動力性、經濟性、環保性進行有效分析，對內燃機進行升級改造的必要手段。隨著新技術的不斷涌現與發展，對內燃機數據的采集從最初的人工采集發展到現在的信息化、自動化、智能化，從原來較為單一的數據采集、統計功能，進化升級得到了實時精確的內燃機性能數據采集系統，為內燃機的性能指標分析提供了進行數據分析和挖掘的平臺。

1 內燃機參數采集系統的發展歷程

內燃機數據采集及分析系統設備是在內燃機臺架試驗中專門用于內燃機的性能測試、技術研究及設計的專用設備。國外對內燃機數據采集及分析系統的研究開發起步較早，從1876年奧托測錄繪制得到的第一張內燃機示功圖至今[2]，國外已經開發出了很多成熟的內燃機數據采集及分析系統。上世紀80年代，我國從日本的小野公司以及奧地利的AVL公司購買引進了一些內燃機數據采集??系統和燃燒分析設備，這些裝置促進了我國對內燃機的燃燒分析與采集系統的研發。雖然國外采集系統及燃燒分析系統的技術研究比較成熟，功能強大，但其價格過于昂貴，對我國技術保密，一旦發生故障，維修困難。因而開發國產的內燃機數據采集與燃燒分析系統是非常必要和迫切的，80年代國內廣大的內燃機試驗和研發工作者們在消化吸收國外先進的采集系統技術的基礎上，努力奮斗，自主創新，加快了國內采集系統的研究與開發，開發出了一些屬于我們自己的內燃機數據采集及分析系統。

內燃機數據采集系統在內燃機研發和生產企業中應用十分廣泛。傳統的內燃機數據采集系統主要依靠人工，使用大量的各類一次儀表、二次儀表進行實時測量，同時需要手工記錄每個儀表的測試數據，需要用人工手動的方式控制參數的變化，直到最后曲線的繪制、表格的填寫，均以手工方式來完成。導致采集到的數據同步性較差，降低了測試效率與精度，隨后的試驗數據的處理及存儲的工作量大、效率也低。

20世紀50年代計算機的出現及發展，使其在內燃機的數據采集方面得到了應用，促使內燃機的從試驗臺架采集數據信息，由傳統的手工方式轉變為了以計算機為主的數據采集系統，同時對采集數據實現了簡單處理，降低了人工對繁瑣數據的處理及勞動強度、減少了試驗數據的誤差[3]。但鑒于當時技術的不成熟，存在著采集系統維護難度大，采集到的數據丟包率較高，數據準確度低，成本高、功耗大等缺點。

隨著智能化儀器的進步，微電子技術、計算機技術的不斷完善與成熟，原來的內燃機數據采集系統已經發生了很大改變。由軟件系統和采集儀器、顯示儀表相互結合，發展形成了現在的內燃機數據采集系統，擁有良好的性能，比最初的以計算機、檢測器構成的內燃機數據采集系統更準確好用。降低了系統的功耗與成本，增強了系統功能，數據的處理能力得到大幅提高，發展得到了綜合測試性質的數據采集系統，使內燃機的性能測試、數據采集得到了快速發展。

2 國外發展現狀

當前，國外已經發展形成了很多著名品牌，形成了一條成熟完整的產業鏈。國外目前成熟的內燃機數據采集產品主要有，如表1所示[4]。這些內燃機數據采集系統及設備大多基于計算機系統，快捷高效，準確方便。

針對國外各種內燃機數據采集產品以下分三個方面進行介紹：

2.1 使用功能方面

國外的內燃機數據采集設備主要用于對內燃機性能進行測試和對燃燒特性進行分析，因而也被稱為燃燒分析儀。通常其燃燒分析系統以強大的數據采集模塊作為硬件基礎，并基于WINDOWS組合成簡捷的用戶界面，系統可以同時計算、顯示并記錄每個氣缸的大量燃燒數據，其專業性強，適合進行科學研究。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，不能對其已固化的功能進行改變，為加入自己的軟件增加了困難，二次開發的能力差，且由于其價格昂貴，所以國內大部分內燃機研究所和相關院校都難以承擔。造成了國內相關單位從國外購買的內燃機數據采集產品在使用過程中數據的測量和分析都只能在原始的設備中運行與調用，不能被調出到其他設備進行使用。

2.2 性能指標方面

國外內燃機數據采集產品的各性能指標也在不斷提升，如奧地利AVL公司將A/D采樣頻率從250KHz提高到了2MHz，曲軸轉角的采樣分辨率從1deg.CA增加到0.025deg.CA。從單通道采樣發展到8，16或32或更多通道的采樣，通道數量可以根據需要任意擴展增加。數據的存儲容量也不斷增大。通過外部硬件電路提供的實時信號，并同時采用PWM技術對外部模擬信號的快速脈沖調制，實現了將內燃機轉速的變化而輸出軸的角位移，角速度等機械量的相應變化信號轉換為電脈沖信號并以數字量輸出。使數據的采樣方式從異步采樣發展為同步采樣，減小了異步采樣在進行多線程任務時數據的滯后性所帶來的最終計算數據的誤差。同時也實現了從穩態的內燃機工況數據采集分析發展到對內燃機工況可以進行瞬態數據的實時采集，存儲、處理和分析。endprint

2.3 系統構成方面

在內燃機數據采集系統的構成上，國外的產品基本分為兩大類：

（1）基于單片機系列的內燃機數據采集與分析系統，如奧地利AVL公司基于摩托羅拉公司的6809和68020 CPU所開發的AL640/650/660及AVL617/620系列內燃機數據采集系統；日本小野公司則使用美國英特爾公司的Z80、51、96系列單片開發了CB366/466/467/566系列的內燃機數據采集系統。

（2）基于計算機系列的內燃機數據采集與分析系統，如AVL公司的AVL617、AVL620和日本小野公司改進升級的新一代產品DS-9100都是基于計算機來進行的開發。在基于計算機的內燃機數據采集產品中，由A/D采樣板對內燃機的工況參數進行實時采集。在較為固定的試驗場所，如試驗車間或者學校實驗室采樣板卡可以放在計算機中[5]，而在臨時的場所進行維修檢測時可將采集板卡根據實際需要放在單獨的系統中，如基于FPGA和USB轉接口的外掛式內燃機數據采集系統。

3 國內發展狀況

國內眾多科研人員經過多年的研究與開發，研發出了屬于我們自己的內燃機數據采集系統，如上海內燃機研究所研發的EAS900系列燃燒分析系統、華中科技大學的HG1208內燃機分析儀、江蘇啟東公司的DJ-GCGZ-A型過程控制多功能檢測儀、總后車船所汽車發動機綜合檢測儀、湖南湘儀公司的FC2022/FC2020、BFY3000型內燃機數據采集分析儀等，研究人員通過努力使我國的內燃機測試和燃燒分析技術達到了世界較高的水平。

針對國內各種內燃機數據采集產品以下從使用功能、性能指標、系統構成三個方面分別進行介紹：

3.1 使用功能方面

我國在自身內燃機采集系統發展的基礎上，對國外燃燒分析儀進行模仿與改進，針對國外產品數據不能被其他設備調用的情況，對AVL公司的AVL657型內燃機數據采集系統成功的進行了二次開發，使用計算機的FORTRAN Ⅳ程序破解了在其PDP11 / 23PLUS配置中AVL SAT格式的文件數據，成功地在其他設備中實現了調用。針對國外老化的設備難以維修，有時甚至無法維修，無法進行升級換代的情況，國內的研發者將AVL657型內燃機數據采集系統中的PDP11 / 23PLUS和VT100終端系統由普通的486機代替，以及對AVL657的原裝軟件進行自編程，實現了原有功能移植到普通PC機上，結合上述對其數據在其他設備調用的開發，得到了AVL657 / 656的實用程序升級包。國內使用AVL657 / 656的多家單位均采用了此技術。在此基礎上，國內研發者對內燃機數據采集與分析系統進行了開發，研發出了適合我國國情的內燃機數據采集系統，如啟東的DJ-GCGZ-A型采集儀，以PC機為操作平臺，對采集到的數據可以轉換保存為多種數據格式，方便了在其他設備中的調用，并在國內進行了此產品的技術轉讓。

3.2 性能指標方面

當前國內開發的內燃機數據采集系統A/D采樣頻率的范圍是從100KHz到1MHz，曲軸轉角的采樣分辨率精度為1deg.CA到0.1deg.CA，采樣通道數量為4～8。因此，無論是A/D采樣頻率，還是曲軸轉角的采樣精度跟國外的產品還無法相比，如湘儀公司的BFY3000型內燃機氣缸壓力測量儀，基于CAN總線技術使A/D采樣頻率提高到1MHz，曲軸轉角的采樣精度為0.18deg.CA，且為單通道采集，目前在國內只能在一般情況下使用，但內燃機的工作過程復雜多變，其性能還遠遠不夠，而且基本上進行的是內燃機穩態試驗研究，測量結果僅有一定的參考價值，研究價值與國外相比還相對較低，因而與國外先進的內燃機數據采集儀器相比依然有一定的差距。

3.3 系統構成方面

國內內燃機數據采集系統的構成類型與國外類似，同樣可分為兩類：

（1）基于單片機系列的內燃機數據采集與分析系統，國內大部分研發單位采用英特爾公司的MCS-31、51等系列的8位單片機和少量的16位MCS-96系列單片機進行采集系統的開發，將傳感器采集到的信號經電荷放大器放大以后通過濾波器濾除干擾信號，然后由A/D轉換器進行轉換并將轉換后的信號送入單片機，再由單片機對此數據信號進行分析與計算處理，最終通過外部設備進行顯示。

（2）基于計算機與采集板卡系列的內燃機數據采集與分析系統，如湘儀公司的FC2020/2022發動機數據采集儀，其采集過程與基于單片機的內燃機數據采集系統類似，不同的是其對數據的采集是通過采集板卡來完成（如基于PCI/ISA總線技術），對數據的計算處理與分析則是通過計算機來完成的[6]。

4 結束語

相比之下，國外的內燃機數據采集與分析系統更加系統化與商業化，如奧地利AVL公司的AVL-BOOST/CRUISE/EXCITE/FIRE等系列產品，德國FEV公司的FEVIS、FEV-TCM/CAS等系列產品。AVL617/620、FEV-IS/CAS等產品實現了對內燃機工況的數據采集，而且數據的精度與時效性得到了很大提升。如今的AVL-BOOST/FIRE等產品又實現了對內燃機工況的模擬，更便于研發人員進行內燃機舊機型的升級改造與新型內燃機的研發。而國內的內燃機數據采集與分析產品則在數據采集的精準度、快速性、數據分析與處理功能的全面性，使用的便捷性、可靠性等方面與國外存在一定的差距。而這些正是國內目前在開發內燃機數據采集與分析系統過程中的技術難點。

隨著微電子技術、計算機科學與技術、測量與控制技術、數字通信技術等各類工業新技術的發展。各種智能化、自動化的采集軟件與設備快速發展、應運而生。我國可以抓住科技快速發展的時代機遇，根據我們自己的需要與實際情況，大量引進國外先進的設備，消化吸收國外先進的硬件和軟件技術，不斷研發符合我國國情的新一代內燃機數據采集與分析系統， 不僅要能實現對內燃機參數實時與準確的采集，同時也應實現對內燃機工況的模擬，并對內燃機的工作過程進行有效的控制，以滿足我國的科學研究和生產需求，并努力開拓與占領國際市場。

目前國外已經開始基于數字信號處理器芯片來進行內燃機數據采集系統的研究與開發，并得到了初步的商業化產品，如搭載AD210X系列數字信號處理器芯片的升級版AVL617。而國內目前對內燃機采集系統及設備的研發還沒有成功得到使用DSP芯片的商業化數據采集與分析系統，DSP芯片價格適中，二次開發能力強，符合我國國情。不僅對于國外，對我國這也將是一個很好的研究與開發方向。

參考文獻：

[1]朱劍明，彭代勇.世界能源現狀與內燃機的發展機遇[J].內燃機工程，2011，32（02）.

[2]劉一鳴.內燃機臺架試驗控制系統及燃燒分析系統的設計與應用[D].華中科技大學，2013：80-84.

[3]http：//www.docin.com/p-1520176694.html[DB/OL].

[4]李敏秋.船用柴油機示功圖數據采集與燃燒分析系統的研究[D]. 大連海事大學，2011.

[5]夏揚.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]陳麗萍，李岑.數據采集系統的發展與研究[J].電腦知識與技術，2015，11（17）：4-6.

天津科委一般項目，項目號：15JCYBJC21300；科委特派員項目，項目號：16JCTPJC53500。

作者簡介：張德福（1970-），男，博士，副教授。endprint