收稿日期:2005-03-09
作者简介：程　鹏(1964—)，男，硕士，工程师
通讯联系人：郭英男(1946—)，男，教授，博士生导师
基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2001C B 209206).
内燃机瞬时转速测量方法的研究
程　鹏1，郭英男2，黄维钧2，刘金山2，谭满志2
(吉林大学1.测试科学实验中心;2.内燃机系，长春　130022)
摘　要:
本文利用A V L 657内燃机数据采集分析仪及磁电式转速传感器对C A 4G 22E 型4缸电喷汽油机进行了同一工况下各缸分别断火时的3种方法瞬时转速测量和分析。首先利用A V L 657系统中安装于发动机前端的A V L 360C /600曲轴角标器产生的转角信号采集A V L 657的时间通道数据并计算瞬时转速，之后用A V L 657的微分功能处理该通道数据以及采集发动机飞轮端起动齿处的转速传感器信号分别得到瞬时转速波动。这3种方法的实验结果表明,
利用高速采样法可以获取正确的内燃机瞬时转速波动，前端与后端差别很小。高速采样法与高频计数法相比，更具有方便和实用性。
关键词：内燃机；瞬时转速；高速采集
中图分类号:T K 407.4　文献标识码:A  文章编号:1002-4956(2005)11-0036-04
内燃机的瞬时转速能够综合反映发动机的工作状态和工作质量。瞬时转速的测量已经引起广泛的关注，特别是在内燃机过渡过程的研究中，往往需要精确测量在整个过程中内燃机转速的变化，另外内燃机在稳定工况运转时，虽然其平均转速是不变的，但其瞬时转速却是变化的，它包含了内燃机运转中的许多有用信息，反映了内燃机工作循环内各缸工作的细节，因此，瞬时转速在内燃机故障诊断和闭环反馈控制等方面都有非常广泛的应用。
内燃机瞬时转速的测量方法基本有两种，即高频计数法和高速采样法，前者是目前应用最多的一种。作者近期用奥地利A V L 公司的A V L 657内燃机数据采样分析仪(以下简称A V L 657)对C A 4G 22E 型4缸电喷汽油机进行了台架瞬时转速信号的测试、数据处理及分析，用高速采样法对内燃机瞬时转速进行了测量上的研究和探讨。
1　两种瞬时转速测量方法的比较
所谓高频计数法是指用霍尔或磁电传感器测取与内燃机同轴联接的均匀分布的齿盘
或发动机启动飞轮齿圈上的转角信号[1～4]，这个信号类似于正弦波，每个正弦波对应一个
齿，对信号进行带通滤波并整形放大，得到方波，利用高频时钟计数器计数，得到每个齿转动时间。设方波信号相邻两个脉冲之间的计数值之差为K ，齿圈总的齿数为Z ，计数器时36中国科技论文统计源期刊
  　实　验　技　术　与　管　理  　V o l .22　N o .11　2005
钟的周期为τ0(
s )，则被测周期T 为:T=K τ0
该周期T 所对应的曲轴转角α为360/Z ，则α角度内的平均转速n (r /m i n )为:n=αT ·60360=α
6T
通常将α度范围内的平均转速n 近似看作瞬时转速n (r /m i n )，即:
n ≈n=α6T =360Z ·6T =60K Z τ0(1)
一般认为,α选取在2～3d e g 曲轴转角为好，而计数时钟应为0.1～0.25μs 可得到高的测
量精度[5]。这种方法需要特殊设计信号滤波，整形放大及计数器等硬件电路。而内燃机瞬时转速的高速采样法是用数据采集系统直接对霍尔或磁电传感器产生的信号进行高速采样，将数据存贮于数据采集分析仪或计算机中，利用软件处理该信号，得到内燃机每一工况下的瞬时转速[6]
。
设转速传感器输出的某个正弦波内的采集点数为N ，由公式(1)得到瞬时转速计算公式(2):
n=
60N Z τ0(2)其中,τ0为A
/D 板时域采样周期,s .如果数据采集是基于时间历程时,(2)式变为:
n=60Z T (3)其中,T 为某正弦波的周期,s .
由此可见这种方法省略了许多硬件电路上的设计，而且由于目前基于计算机的数据采集系统的广泛使用以及采集精度和存贮量的提高，使这种方法变得更加方便、实用。1.内燃机;2.测功器;3.A V L 曲轴转角发生器;4.A V L 脉冲倍增器;5.飞
轮齿圈;6.转速磁电传感器;7.第一
缸点火电感传感器;8.A
V L 657;9.P
C 机图1　A V L 657测量瞬时转速原理图
2　利用A V L 657对内燃机前端进行瞬时转速测量
A V L 657是奥地利A V L 公司上世纪九十年代的产品[7]，具有16路采样通道,A /D 通过率为500k H z ,12位A /D 转换，曲轴转角采样分辨率最高可到0.1d e g .C A ，时间分辨率最高为1μs 。作者曾对该设备进行了二次开发，用普通计算机替代其P D P 11及V T 100小型计算机系统，可将A V L 657采集的数据存储于P C 机中。利用这套设备，在一台C A 4G 22E 型四缸电喷发动机上分别测取曲轴前端(自由
端)和后端的瞬时转速信号，并进行了各缸断火实验。其
测量原理如图1所示:
2.1　利用对A V L 657时间通道的微分功能进行内燃机
前端的瞬时转速测量
A V L 657系统的H S P 6501高速信号处理器内部可产生0.1M ,1M 及10m H z 的时基频率，经时基频率—电压转换可得到与时间成正比的电压信号[8,9]。该信号由系统内部输入到指定的采样通道(第8或16通道)。其波37
程　鹏，等：内燃机瞬时转速测量方法的研究
图2　A V L 657内部时间通道波形示意图形如图2所示。当曲轴存在转速波动
或扭振时，每度曲轴转角所经历的时
间会产生相应变化。
由于发动机实验工况在600～
3000r /m i n 之间，因此内部时基频率
选择1m H z 。曲轴转角采样分辨率设
为2d e g .C A 。经过A V L 657的微分功
能可得到随曲轴转角变化的曲轴前端的角速度(1/s )变化，利用自编程序将所有值乘上60/2π后变为随曲轴转角变化的瞬时转速，如图3所示。图3a 为4个缸均着火工作时,32个发动机工作循环平均的瞬时转速波动
前端测试和后端测试的区别
。
图3　由A V L 657微分功能得到的各缸缺火时前端的瞬时转速波动
图3b ～图3e ，分别为该工况下，第1至第4缸缺火时的多循环瞬时转速波动。图中同时示出了4个缸均着火和第一缸或第三缸的点火信号,0d e g .C A 为第一缸T D C 位置，发火顺序为1、3、4、2。从图中可看出，各缸均着火时转速波动不大，但有区别，而在某缸缺火时，转速波动明显，幅值波动较大。
2.2　利用A V L 657时间通道数据进行内燃机前端的瞬时转速计算
图4　经过变换的时间通道曲线为了方便计算瞬时转速，将图2所示的信号处理为
一条直线，如图4所示。
用这种方法选取相当于2d e g .C A 时进行了各缸缺火实
验，结果如图5所示。其结果与图3结果相同，并分时由瞬
时转速计算出的平均转速最大相差在±1.67r /m i n 之内。由
此可现，自行开发功能与A V L 657原配功能相差甚微
。
图5　自编程序处理A V L 657时间通道得到的各缸缺火时前端的瞬时转速波动
3　利用A V L 657对内燃机飞轮端进行瞬时转速测量
测量原理如图1所示。由传感器6得到的原始数据如图6所示。
38实　验　技　术　与　管　理
图6　飞轮启动齿圈上转速磁电传感器信号
C A 4G 22E 4缸电喷发动机的飞轮启动齿
圈为139齿，相当于2.59d e g .C A 。瞬时转速测
量与2.1及2.2节中实验同时进行，并由公式
(3)得到瞬时转速，如图7所示，与图3和图5
相比差别不大
。
图7　内燃机飞轮端各缸缺火时瞬时转速波动
图8示出了3种方法下的4个缸均着火和各缸分别缺火时的叠加曲线。从图中发现，后端与前端得到的曲线略有区别，但差距甚微，而由后端提取发动机瞬时转速信号又具有方便性、准确性和实用性[10,11]
。
图8　3种方法各工况下叠加比较图
4　结论
(1)利用A V L 657原功能与自行开发得到的瞬时转速数据相比，吻合得相当一致，因此，利用高速采样法能够正确地得到内燃机瞬时转速波动。
(2)由内燃机前端和后端得到的瞬时转速波动差别不大，后端提取发动机瞬时转速信号又具有方便性、准确性和实用性。
(3)高速采样法与高频计数法相比，更具有方便和实用性。作者在后期将用高频计数法获取瞬时转速波动并与同时利用高速采样法得到的瞬时转速波动进行比较，可得到更进一步结论。
参考文献:
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程　鹏，等：内燃机瞬时转速测量方法的研究

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