图5　下位机软件结构框图

　　3　放热规律数学模型的建立

　　3．1　简化假定^［1］
　　（1）　气缸内的状态是均匀的；
　　（2）　工质视为理想气体，其比热容和内能仅与气体的温度和成份有关；
　　（3）　忽略活塞环与缸壁间隙的漏气。
　　3．2　基本方程
　　根据热力学第一定律，柴油机燃烧过程中的热平衡方程式为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　　　　　　　　　　　　　　（2）

式中：Q_e为燃料燃烧的放热量，kJ；Q_w为缸壁传热量，kJ；m为工质的质量，kg；Q_b为工质吸收的热量，kJ；u为比内能，kJ／kg；p为气缸内气体压力，kPa；V为气缸瞬时容积，m³。
　　在内燃机的实际工作中，由于燃烧时发生化学反应，所以工质成分是随曲轴转角变化的。将气缸内的工质看成由纯空气和纯燃烧产物组成。燃料燃烧产物一般由H₂O、CO₂、O₂和N₂组成，由于过量空气系数总是大于1，故一般可认为是完全燃烧。纯空气的相对分子质量M_a＝28．964，纯燃烧产物的相对分子质量M_e可由下式计算^［5］：

　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

式中：M_i（i＝1，2，3，4）分别为H₂O、CO₂、O₂和N₂的相对分子质量；n_i（i＝1，2，3，4）分别为1 kg燃料完全燃烧时，燃烧产物中H₂O、CO₂、O₂和N₂的千克摩尔数。根据燃料燃烧的化学反应方程式^［3，5］：

可知

式中：y为空气中所含O₂的摩尔分数；g_H，g_C，g_O为燃料中相应元素成分的质量分数。将有关参数代入可得纯燃烧产物的分子量。
　　据理想气体混合物的性质，缸内工质瞬时气体常数为：

　　　　　　　　　　　　　（4）

式中：m为气缸内工质总质量，m＝m_a＋m_e；m_a为纯空气质量，kg；m_e为纯燃烧产物质量，m_e＝（L_O＋1）m_b；m_b为气缸内瞬时燃料质量，m_b＝m_B^.X；m_B为每循环供油量，kg；L_O为理论上燃烧1 kg燃料所需要的空气量，kg空气／1 kg燃料；X为缸内已燃烧的燃料量占每循环供油量的质量分数，为待求量，可用迭代法进行计算。
　　用过量空气系数Φ_a来表示缸内工质的组成成分^［1，4］：

　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　　　　　　　　　　（6）

由假设可知u＝u（T，Φ_a），则

　　　　　　　　　　　　　　　（7）

又

　　　　　　　　　　　　　　　　　（8）

式中：H_u为燃料低热值，kJ／kg。
由理想气体状态方程

PV＝mRT　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

　　　　　　　　　　　（10）

比定容热容　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11）

求解式(1)～式（11）得：

　　　　　　　　　（12）

　　3．3　工质内能与比定容热容计算
　　将气缸内工质仍看作由纯空气和纯燃烧产物两部分组成，其组成成分仍用瞬时过量空气系数Φ_a来表示，则比内能为温度T和过量空气系数的函数^［1］，即

　　　　　　　　　（13）

比定容热容

　　　　　　　　　（14）

　　3．4　缸壁传热量计算
　　本系统对传热系数α选用以下公式：
　　（1）　对小型高速机用SITKEI　G公式^［6］：

　　　　　　　　　　　　　　（15）

式中：；D为缸径，m；h为活塞顶至气缸底面距离，m；C_m为活塞平均速度，m／s；p为压力，MPa；T为工质温度，K；b为常数；α为传热系数，W／（m^2.K）。
　　（2）　对大型低速机选用BRILING公式^［3］：

　　　　　　　　　　　　　　　（16）

　　3．5　燃烧室壁温^［2］
　　活塞顶　　　　　　　　　　　T_w1＝120＋3p_e＋273　　　　　　　　　　　（17）
　　缸盖　　　　　　　　　　　T_w2＝100＋0．7p_e＋273　　　　　　　　　　（18）
　　缸套　　　　　　　　　　　T_w3＝100＋0．4p_e＋273　　　　　　　　　　（19）
式中：p_e为平均有效压力，MPa。

　　　　　　　　（20）

式中：F₁为活塞面积，m²；F₂为气缸盖面积，m²；F₃为缸套面积，m²。

　　4　系统特点

　　4．1　同时采样技术
　　一般数据分析仪器，包括CB366、CB466和AVL646～AVL657，在采样时均采用分时采样，不能一次记录同一时刻各通道的状况。本系统采用改造总线的方法，能用一片CPU对多个通道发生的事件同时采样，从而提高了仪器的测量精度和分析精度。
　　4．2　新型的DMA技术
　　本系统的数据采集器采用单片机系统结构，CPU用89C51，A／D转换器用高速12位的MAX120，实现8通道同时采样。89C51为8位数据总线，一般情况下要读两次才能把12位的数据读入系统RAM，这样就大大降低了工作效率，而要8通道同时采样，即要12×8位数据同时读入RAM，这按常规的计算机硬件设计思想不可能实现。在计算机技术中，计算机内存与外围设备进行数据交换时，一般均要由CPU直接控制和调度，这样就增加了机器的工作周期，降低了速度。为了提高工作效率，采用了专用的集成电路直接进行控制，使外围设备与内存直接交换数据而无需CPU的介，即DMA技术。一般的DMA电路虽然能使外围设备与计算机内存交换数据，但一次最多只能8位，而且几个通道不能同时交换，因而用一般的DMA技术解决12×8位数据同时交换也不可能。本仪器的DMA技术用自行设计的硬件结构，同时在软件中用一些伪指令，将硬件与软件巧妙地结合，能达到12×8位以至更多位数据同时交换。
　　4．3　高速A／D采样技术
　　本系统的模数转换器采用MAX120电路，MAX120是12位分辨率、采样速率500 kHz含采保低漂移基准ADC(转换时间1．6μs)。它使用标准的微处理机接口，三态数据输出接到12位的数据总线，所有的逻辑输入和输出都是TTL／CMOS兼容，其工作时钟的频率范围在0．1MHz～8MHz之间。
　　4．4　软件通道开关技术
　　一般仪器均采用机械式通道开关，机械式开关易磨损而发生故障。为了克服机械式通道开关接触不良以及磨损而造成的误操作，本仪器用软件分别对各通道进行ON／OFF操作，从而决定相应通道采样与否。

　　5　提高系统测量精度的措施

　　系统的测量精度与数据采集精度、处理精度有关。
　　5．1　数据采集精度
　　（1）　A／D转换精度。数据采集精度与A／D的分辨率有关，分辨率越高，则数据采样精度越高。本系统采用转换速率1．6μs，分辨率为12位的A／D转换器。
　　（2）　上止点位置精度。上止点位置正确与否直接影响到放热计算。为了提高上止点位置的采样精度，在提高光栅盘加工精度和保持其清洁的基础上，将光电编码盘安装在发动机振动较小的飞轮端。
　　（3）　零漂问题。采用机械通道调零结合软件零位修正的方法，有效地解决了由传感器和放大器等引起的零点漂移问题，从而提高了系统的测量精度。
　　（4）　同时采样。对多路信号采取同时采集的方法，使在同一曲轴转角下各路信号间的相位差为零，不仅提高了系统的测量精度，而且提高了分析精度。
　　5．2　数据处理精度
　　（1）　示功图数据处理。由于示功图测量时受通道效应和内燃机系统本身等因素的影响而存在随机误差，因此需对所测取的示功图进行必要的数据处理，才能作为放热规律计算的原始数据，为此采用多循环(最多可达64循环)的平均示功图，可消除部分随机误差。但在研究起动工况、爆震和噪音时，仍可选择单个循环采样。另外还必须对气缸压力的原始数据进行光顺处理，以消除缸内高频压力振荡。本系统采用样条函数对压力数据进行光顺处理。
　　（2）　计算模型。由实测示功图计算发动机放热规律，计算所得的结果与计算模型有关。本系统对不同机型建立有不同的数学模型，并编制了相应的计算软件，以提高计算精度。

　　6　应用举例

　　图6为CA6110／125柴油机的气缸压力、AZ泵的嘴端压力及放热率、累计放热量和缸内温度曲线图。

　　图7为Lucas　VE型分配泵、P型喷油器的泵端压力、嘴端压力和针阀升程波形图。

　　（1）　用工业控制计算机作为测量和数据处理的系统硬件，提高了可靠性和抗干扰能力。
　　（2）　采用多通道同时采样技术，提高了系统的测量精度和分析精度。
　　（3）　本系统人机界面友好，操作简单，使用方便，具有较高的性能价格比。
　　（4）　本系统不仅可用于内燃机行业，也可作为通用的多通道数据采集处理系统应用于其它行业。

作者简介：王吉华（1962-），男，学士，主要从事内燃机测试与测试设备的研究开发工作。

作者：王吉华  无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063

参考文献

　1 林杰伦．内燃机工作过程数值计算［M］．西安：西安交通大学出版社，1986
　2 朱访君．柴油机燃烧放热率计算及计算精度分析［J］．华南工学院学报，1982，(9)
　3 西安交通大学内燃机教研室．内燃机原理［M］．北京：中国农业机械出版社，1981
　4 陈泽深．柴油机设计手册(上册)．柴油机工作过程计算［M］．北京：中国农业机械出版社，1984
　5 夏兴兰．柴油机工质热力性质计算［J］．南昌大学学报，1995，(3)
　6 SITKEI G．Heat Transfer and Thermal Loading in Internal Combustion Engine［C］．Budapest，Akademic Kiado，1975