全自動柴油十六烷值測定機研究

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動機中燃燒時的著火性質指標，采用與被測試樣具有相同著火滯后期的標準燃料中正十六烷的體積百分數表示[1]。柴油在發動機中是被壓燃的。十六烷值低的柴油不易被壓燃，著火滯后期長；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。該值過高不僅會影響柴油的另一項重要質量指標(即凝固點)，還會破壞燃燒性能，使熱功率下降、油耗增加。

傳統的柴油十六烷值測定機在燃油切換、燃油流量測定、燃油噴射正時、壓縮比調節等方面需人為操作、判斷，對試驗操作人員有著極其高的要求。因此，提高測定機的自動化程度有著極大的意義。

1 測定機設計原理

全自動柴油十六烷值測定機的基本設計原理如下。將試樣、1#副標準燃料混合物、2#副標準燃料混合物、檢驗燃料等燃料分別放置在4個儲油罐中。啟動發動機后：相位傳感器檢測發動機轉速、曲軸角度，溫度傳感器檢測進氣溫度、噴嘴水套溫度、內循環水套溫度、潤滑油溫度；壓力傳感器檢測潤滑油壓力、曲軸箱負壓等。當所有規定操作條件符合要求后，通過控制電磁閥，接通試樣燃料罐。試樣依次進入電控單體泵、流量管、高壓油管、噴槍等。當流量管檢測到燃油，10 s后切斷試樣燃料罐；同時，自動接通放空電磁閥，5 s后關閉放空電磁閥。如此操作至少2次(次數可設置)，目的為清洗管路。自動接通試樣燃料罐，當流量管檢測器檢測到燃油后，燃油在電控單體泵中開始建壓。當高壓油管中的壓力高于10.3 MPa時，燃油通過噴槍噴嘴偶件霧化后進入預燃燒室內燃燒。在此過程中：由流量管的流量檢測器檢測燃料流量、噴油檢測器檢測噴油時間點、爆震傳感器檢測燃料壓燃時間點；通過位置傳感器檢測燃油在流量為13 mL/m、噴油提前角為13°、著火滯后期為13°時的小活塞位置，也就是發動機的壓縮比。隨后，分別自動檢測1#副標準燃料混合物、2#副標準燃料混合物的小活塞位置，過程同試樣檢測。最后，通過內插法自動計算出試樣的十六烷值。檢驗燃料用于檢查十六烷值測定機評價柴油十六烷值的準確性，測試過程同試樣檢測。

測定機設計原理如圖1所示。

圖1 測定機設計原理圖Fig.1 Determination machine design schematic

2 電氣系統設計

2.1 總體框圖

應用觸摸工業電腦實現人機交互，采用RS-232與微控制單元(microcontroller unit,MCU)進行通信，對測定機進行指令輸入及信號顯示、記錄等。溫度傳感器分別實時檢測發動機的進氣溫度、潤滑油溫度、內循環水套溫度、噴嘴水套溫度和燃油溫度。其中:進氣口設有加熱系統，應用比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法，對參數進行優化，控溫精度達到±0.5 ℃；發動機底部設有加熱系統，對潤滑油進行開機前的預熱，縮短熱機時間。壓力傳感器分別實時檢測管路中潤滑油的壓力及發動機曲軸箱中的負壓，保障測試過程符合規定操作條件。對相位檢測器、噴油檢測器、電控單體泵及電子控制單元 (electronic control unit,ECU)[2]的檢測控制是實現噴油提前角自動動態調整到上止點前(13±0.2)°的關鍵；對噴油檢測器、爆震檢測器、位置檢測器及對壓縮比電機等的檢測控制是實現著火滯后期自動調整到(13±0.2)°和區分燃油十六烷值的關鍵[3]；對流量檢測器、電控單體泵及ECU、電磁閥的檢測控制是實現流量自動調整到(13±0.2)mL/min的關鍵；對電磁閥及放空電磁閥的邏輯控制實現根據試驗過程自動切換燃油及自動管路清洗。

電氣系統設計總體框圖如圖2所示。

圖2 電氣系統設計總體框圖Fig.2 General block diagram of electrical system design

2.2 噴油提前角自動調整的研究

噴油提前角自動調整流程如圖3所示。

圖3 噴油提前角自動調整流程圖Fig.3 Flowchart of Injection advance angle automatic adjustment

2.3 著火滯后期自動調整的研究

通過控制壓縮比電機來改變小活塞在燃燒室內的位置，可改變壓燃時間點。當B為(13±0.2)°時，自動記錄小活塞位置。本文通過激光傳感器檢測小活塞位置，量程為20 mm，精度為35 μm，輸出4～20 mA電流信號。該信號經過處理轉換成電壓信號進入MCU的A/D引腳。

著火滯后期自動調整流程如圖4所示。

圖4 著火滯后期自動調整流程圖Fig.4 Flowchart of automatic fire lag time adjustment

2.4 燃油流量自動調整的研究

在試驗過程中，精確控制燃油流量對準確測定柴油十六烷值有著非常重要的影響。本設計中，在關閉電磁閥的狀態下，燃油流量是通過安裝在流量管上的流量檢測器測定的。流量檢測器由光電二級管和光電三極管組成，分為上、下兩組。光電二極管功率恒定。凹液面經過光電組時，光電三極管接收的光強發生變化，從而改變輸出信號[4-8]。該信號經處理后由MCU的A/D引腳采集。凹液面經過上光電檢測時開始計時，經過下光電檢測時結束計時，根據所用時間計算出燃油流量。如果流量不為(13±0.2) mL/min，通過控制ECU來調整電控單體泵電磁閥的關閉時長。

燃油流量自動調整流程如圖5所示。

圖5 燃油流量自動調整流程圖Fig.5 Flowchart of automatic fuel flow adjustment

3 軟件設計

基于WIN7平臺的測控系統采用上位工業電腦與下位單片機形式、采用Modbus通信協議編寫。上位機在Microsoft Visual Studio 2010環境下，應用C++語言編寫，實現人機“對話”。下位機在MPLAB環境下，采用C語言編寫。

3.1 上位機軟件設計

人機界面采用模塊化設計，包括以下模塊。測試過程控制模塊主要控制測試過程步驟。設備工況監測模塊主要以動態波形形式實時顯示設備各工作參數。數據庫讀寫模塊采用Sqlite開源嵌入式輕型數據庫[9-12]，存儲試驗結果及一些工況參數。參數配置讀寫模塊用于讀寫設備配置數據，如溫度、壓力、小活塞位置的標定數據、進氣溫控PID參數、扭力限定值等，文件以ini文件存儲。實驗室信息管理系統(laboratory information management system,LIMS)及遠程監控模塊基于網口或無線局域網實現，用于試驗數據的收集、分析、報告和管理[13]，以及設備工況的遠程監測及診斷。中外文加載模塊采用加載外部ini文件來實現中外文的切換。數據打印模塊有熱敏打印和外接打印機打印。限幅濾波平均算法模塊是針對噴油提前角、著火滯后期的數據采集而進行的濾波算法，具體如下:取N個連續數據組成隊列，遵照先進先出原則，保證隊列固定長度為N；采用冒泡排序，在隊列中的中間段數據進行平滑濾波。

3.2 下位機程序設計

下位機程序在主循環及各中斷中運行，用于各種信號的采樣、算法執行、數據處理及各種執行單元的控制。系統初始化是指對MCU的各個I/O引腳、定時器、A/D轉換、直接存儲器、通用異步收發器等進行初始設置。設備工況信息采樣主要是通過PT100傳感器對進氣溫度、潤滑油溫度、內循環冷卻水套溫度、噴嘴水套溫度和燃油溫度進行采集，將管路中潤滑油壓力、曲軸箱負壓通過壓力傳感器輸出的4～20 mA信號轉換成電壓信號進入MCU的A/D引腳。PID溫控算法是對加熱器輸出功率進行控制來實現進氣溫度(66±0.5)℃、潤滑油溫度(57±8)℃的試驗要求。數據傳輸是應用MCU的UART模塊接收上位機的命令，解析后執行并反饋相應信息。信號瞬間捕獲是獲取各個信號中斷的時間點，如噴油、爆震、相位、光強等信號，計算出各個信號之間的角度差或時間差，從而獲得噴油提前角、著火滯后期、流量等試驗條件參數。信號執行是對執行元件的控制，如：通過對電磁閥、放空電磁閥的控制，實現燃油自動切換和油路自動清洗；通過對壓縮比電機的控制，實現小活塞位置的自動改變；通過對電控單體泵的控制，實現對噴油時間點及噴油流量的自動調整。

下位機程序設計框圖如圖6所示。

圖6 下位機程序設計框圖Fig.6 Block diagram of slave computer program design

4 測試數據分析

全自動柴油十六烷值測定機樣機完成后，多次在高檢、低檢的評定上符合標準。在油樣的評定方面，重復性也符合標準，并比手動操作的測定機平均高出0.1個指標。同時，進行了同類機型(WAUKESHA測定機、我司手動操作測定機和全自動測定機)的再現性數據對比，本文設計同樣符合標準要求。3種機型對同一油樣評定對比如表1所示。

表1 油樣評定對比

5 結論

全自動柴油十六烷值測定機在手動柴油十六烷值測定機的基礎上增加了在試驗過程中燃油的自動切換、燃油管路的自動清洗、燃油流量的自動調整、噴油提前角的自動調整、壓縮比小活塞位置的自動調整等功能，從而實現測定機試驗過程的自動化。對于操作人員來說，該設計降低了對人員技能的要求、減少了工作量、降低了工作強度；從試驗結果來看，該設計減少了人員操作的差異、提高了試驗結果的可信度，且測試結果符合GB/T 386—2010、ASTM D613—2008標準。