自動汽油辛烷值測定機的研究

廖 威

(上海神開石油儀器有限公司,上海 201114)

0 引言

辛烷值是評定汽油在發動機氣缸內抗爆震燃燒能力的一項重要指標[1-2]。傳統手動汽油辛烷值測定機存在以下不足：在尋找最大爆震液面、判斷油品穩定性方面對操作員的熟練程度要求較高，人為因素對試驗結果的影響較大；手動儀器油品評定過程中需操作員全程參與，工作效率低；甲苯等燃料在評定過程中散發的有害氣體對操作員的身體傷害較大；更換方法需至少兩個人配合更換皮帶或飛輪，勞動強度大，存在一定的危險性。鑒于手動儀器存在的缺陷，本文對自動汽油辛烷值測定機進行了設計研究。

1 儀器設計原理

自動汽油辛烷值測定機基本設計原理如下。

油杯的升降機構由步進電機、絲桿、限位等組成。系統通過控制升降機構控制油杯內燃油液面的高度，并結合特定的算法準確捕捉最佳燃空比液面。六通旋閥的切換由步進電機+編碼器的工作方式來實現精確定位控制[3]。激光位移傳感器用于檢測缸頭位移進而換算成壓縮比。交流電機通過聯軸器帶動蝸輪蝸桿旋轉來控制缸頭上下移動，并結合激光位移傳感器數值閉環控制壓縮比。辛烷值評定試驗方法分為研究法和馬達法。兩者的主要區別在于：研究法轉速為(600±10)r/min；馬達法轉速為(900±10)r/min。

本文應用變頻裝置控制動力電機實現發動機轉速的快速切換。試驗進程控制包括對各模塊的自動銜接控制、單個樣品油穩定性判斷的控制，以及對試驗過程中報警裝置的控制。

儀器設計原理如圖1所示。

圖1 儀器設計原理圖

2 電氣系統設計

2.1 總體框圖

電氣系統總體框圖如圖2所示。

圖2 電氣系統總體框圖

工況傳檢測傳感器用于檢測系統溫度、壓力等參數。

其中，溫度采用Pt100檢測。微控制器(microcontroller unit,MCU)控制進氣加熱管輸出功率，應用比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法，根據設定溫度進行控制。凸輪軸位置檢測與點火模塊配合實現精確位置的點火控制。報警模塊分為系統故障提醒和試驗結束提醒，用燈光和蜂鳴器工作方式進行區分。旋閥切換模塊用于切換油杯進油通道。變頻調速模塊用于切換油品評定試驗方法。MCU與工業平板電腦通過RS-232串口通信交換數據，實現人機交互功能。

2.2 最大爆震液面捕獲系統的設計與研究

①峰值谷值雙檢測設計。

設計采用峰值谷值雙檢測原理，確保峰值檢測的準確度。峰值谷值雙檢測示意圖如圖3所示。

圖3 峰值谷值雙檢測示意圖

峰值谷值雙檢測設計工作原理如下。油杯升降模塊帶動油杯從底部以恒定速度上升，使燃油液面高度逐漸上升、爆震數據逐漸變大，記錄爆震數據最大值ymax。當爆震數據下降至ymax-Δy(Δy為爆震數據從最大值下降的幅度)時，液面高度位置為峰值過沖位置。該液面高度為最高位置。控制系統控制油杯下降，尋找谷值，記錄爆震數據最小值ymin。當爆震數據達到ymin+Δy，記錄此時的液面高度為谷值過沖位置。谷值尋找完畢后，即可判定峰值尋找的準確性。

②液面高度補償設計。

由于數字濾波的延遲性、發動機進氣門開啟的時間、燃油霧化管路的長度都會導致液面高度對應的爆震強度與采集的爆震強度存在偏差，即系統存在爆震滯后[4]。該滯后時間為τ。為保證最大爆震液面尋找的準確性，自動汽油辛烷值測定系統需要對液面高度進行補償。

補償后的最大爆震液面高度xm=xt-vτ。其中：xt為峰值對應的液面高度；v為油杯上升的速度。油杯上升速度越快，最大爆震液面高度與峰值對應的液面高度偏差越大；油杯上升速度越慢，最大爆震液面高度與峰值對應的液面高度偏差越小，但耗時長。因此，τ值對自動尋找液面至關重要。為尋找合適的τ值，需進行以下試驗。

對同種油品在同一臺機器，以0.02 mm/s、0.06 mm/s、0.1 mm/s速度進行最大爆震液面尋找與手動液面尋找進行對比。

不同移動速度下的液面高度與爆震強度波形如圖4所示。

圖4 不同移動速度下的液面高度與爆震強度的波形圖

由圖4可知：油杯以0.02 mm/s速度上升峰值對應的液面高度與手動比較接近；以0.1 mm/s速度上升峰值對應的液面高度與手動相差較大。 對測試數據進行分析：0.02 mm/s對應的系統滯后時間約為25 s；0.06 mm/s對應的系統滯后時間約為28 s；0.1 mm/s對應的系統滯后時間約為30 s。通過對3種不同速度的液面高度與爆震強度進行分析，可以確定最大爆震液面之后時間約為25～30 s。將τ值應用到自動尋找最大爆震液面中，進行不同油品試驗，并與手動操作進行對比。油樣最大爆震液面高度對比如表1所示。

表1 油樣最大爆震液面高度對比

由表1可知，對92#標油和93.4甲苯，自動手動各3次試驗對比，重復性與再現性均與手動一致。

2.3 關鍵模塊的研究與設計

①爆震強度采集模塊設計。

爆震信號是指發動機氣缸內油氣混合在點燃后爆炸產生的圧力信號，由爆震傳感器檢測。該信號為脈沖信號，脈沖峰值即為爆震強度。鑒于傳統儀器常用的峰值采樣保持芯片PKD01已停產，設計采用AD585芯片重新設計峰值捕獲電路。AD585與PKD01相比，擁有更快的響應速度和更高的準確度。峰值捕獲電路設計框圖如圖5所示。

圖5 峰值捕獲電路設計框圖

爆震信號經過運算放大器和數字電位器以及若干電容電阻組成的放大電路處理后，進入采樣保持電路。其中，數字電位器由MCU控制，用于在人機交互界面調節爆震信號零位及放大倍數(展寬)。采樣保持電路對爆震信號進行采樣并保持。保持信號與實時信號進行比較，從而控制采樣保持電路復位重新采樣保持。

爆震信號與采樣保持信號波形對比如圖6所示。

圖6 爆震信號與采樣保持信號波形對比

由圖6可知，爆震信號經過放大后峰值與采樣保持電路輸出的信號基本一致。

②油杯升降模塊自動控制設計。

為實現快速樣品評定，在傳統手動儀器四油杯基礎上增加至六油杯。單個試驗可評定4個油樣。油杯升降模塊采用步進電機+絲桿工作方式控制油杯升降操作。絲桿上安裝上下限位開關。在設計中，采用歐姆龍U形光電開關作為限位開關。上、下限位開關用于限制油杯位置。同時，下限位為自動尋找最大爆震液面的起始位置。在油杯控制電路設計中，需要控制6個油杯電機和12個限位傳感器。考慮到辛烷值油品評定中同一時間只能評定1種油品，為簡化電路設計并節省CPU資源，本設計選用多路數字控制模擬開關CD4052實現雙路進多路出和多路進雙路出，通過控制模擬開關的控制端實現油杯升降通道的自動切換。

③旋閥自動切換控制設計。

旋閥的自動切換是自動辛烷值測定機必須實現的功能。切換定位的準確度將直接影響試驗結果。在設計中采用步進電機+ABZO絕對編碼器實現位置閉環控制，以達到精確定位的目的。

④試驗方法自動切換設計。

辛烷值試驗方法分為研究法和馬達法。2種方法的主要區別在于轉速不同：研究法為600 r/min；馬達法為900 r/min。傳統儀器最初是通過更換飛輪和皮帶實現轉速切換的。改為雙飛輪后，只需更換皮帶即可實現轉速切換。上述2種方法均需2個人配合完成，勞動強度大，同時存在一定的危險性。為實現辛烷值測定自動化，本文設計中采用變頻控速原理，通過控制三相同步交流電機的頻率控制發動機轉速；記錄并保存研究法和馬達法對應的工作頻率，方法切換時直接調用對應頻率即可。

3 軟件設計

本設計中，儀器端軟件分為上位機軟件、下位機軟件。上、下位機通過串口進行通信，應用Modbus協議進行數據傳輸。同時，為實現自動儀器智能化管理，本文設計了遠程監控系統。

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件基于Visual Studio平臺編寫，可實現人機交互操作，包括試驗數據顯示、試驗過程控制、試驗結果的存儲等。上位機軟件設計框圖如圖7所示。

圖7 上位機軟件設計框圖

試驗過程控制負責確保試驗過程有序進行。其中，爆震數據的穩態判斷是試驗過程的核心。不同油品的爆震穩定時間、幅度不一致，因此如何快速、準確地判斷爆震是否進入穩定狀態是關鍵。在本文設計中，采用動態方差法對一固定寬度的數據進行平移，計算該寬度數據的方差，以判斷爆震穩定性。上位機實現與中石化實驗室管理系統(laboratory information managemeat system,LIMS)對接。LIMS可有效地對試驗數據進行收集、管理以及分析[5]。外置控制設備是指試驗所需的外置設備，如外置冷卻系統、外置空氣干燥系統。傳統手動試驗時，外置設備室獨立于主機進行工作。在自動儀器設計中，將這些設備控制集成在主機中，通過上位機軟件進行集成化控制并顯示，更易于管理。

3.2 遠程監控系統設計

遠程數據傳輸用于實現自動汽油辛烷值機遠程管理。儀器全程自動樣品評定，無需人為干預。用戶通過遠程數據傳輸功能進行遠程監控。遠程傳輸分為內網傳輸和外網傳輸。其中：內網傳輸是指儀器與用戶計算機端點對點通過網絡傳輸，授權用戶可遠程操控儀器；外網傳輸應用客戶端/服務端(client/server,C/S)架構設計。C/S架構分為客戶端和服務端。客戶端和服務端采用不同的編程語言編寫，通過消息傳遞實現數據交互功能[6-7]。

遠程監控設計框圖如圖8所示。

圖8 遠程監控設計框圖

下位機軟件設計框圖如圖9所示。

圖9 下位機軟件設計框圖

儀器端打開后自動連接服務端，向服務端發送儀器編碼、試驗工況信息、試驗過程信息、試驗結束提醒、報警信息。上述信息加上開始和結束標志，組成一幀數據。其中，儀器編碼，為客戶端唯一識別標志。試驗工況和試驗過程數據實時向服務端上傳，由客戶端登陸之后獲取。儀器端結束試驗之后，向客戶端發送試驗結束提醒，計算機客戶端給出彈框提示；移動客戶端彈框+震動提示，提示客戶試驗結束，是否停機或繼續進行試驗。同時，如儀器出現故障，客戶端會獲取報警信息并提示用戶。

3.3 下位機程序設計

下位機程序基于MPLAB環境編寫，負責系統各個傳感器數據采樣、與上位機通信、溫度控制、最大爆震液面捕獲、油杯升降模塊驅動、六通旋閥驅動以及主電機的驅動等。程序在主循環及各個中斷中運行。

4 測試數據分析

自動汽油辛烷值測定機研發完成后進行研究法樣品評定，并與手動儀器試驗數據進行比對。油樣評定對比如表2所示。

表2 油樣評定對比

由表2可知，手動儀器與自動儀器的試驗數據之間的差值滿足滿足GB/T 5487標準規定的再現性要求。

5 結論

本文設計的自動汽油辛烷值測定機可實現自動化、智能化油品評定，試驗數據與手動儀器吻合。同時，試驗全過程無需人為干預，很大程度地減少了油品燃料在燃燒過程中釋放的CO、NO等有害氣體對人體的傷害。所設計的遠程監控終端向用戶開放，包括計算機端和移動端。用戶可遠程監控自動汽油辛烷值測定機全程做樣，并可在試驗結束時及時收到提醒。目前，所設計的自動汽油辛烷值測定機已投產，經中石化、中石油以及質檢所等多家單位應用，試驗數據完全滿足標準要求，獲得用戶好評。