内燃机数据采集系统的发展及趋势

张德福　高金龙　黄春焱

摘 要：构建完善的内燃机实时运行参数采集系统，是实现内燃机参数采集、传输、分析的重要前提。随着智能设备的发展，使内燃机参数采集系统延伸到每个相关厂家和研发公司，因此智能化、自动化的内燃机参数采集系统得到了高速的推广、发展。文章分别从内燃机参数采集系统的发展概况、系统的应用现状及未来的发展趋势等方面介绍论述了内燃机参数采集系统在内燃机发展过程中的重要意义和作用。

关键词：内燃机参数；采集系统；智能设备；应用现状；发展趋势

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.098

0 引言

随着全球可利用能源的消耗以每年1%左右的速度持续增长，导致的环境问题日益突出，同时排放法规也日趋严格。在内燃机方面，我国内燃机的能源消耗量占国内石油消耗总量的2/3以上[1]，如何减少对能源资源的消耗，降低对环境的破坏是人们最为关心的。进行内燃机台架性能试验，对内燃机运行参数进行实时监控与分析，是对内燃机的动力性、经济性、环保性进行有效分析，对内燃机进行升级改造的必要手段。随着新技术的不断涌现与发展，对内燃机数据的采集从最初的人工采集发展到现在的信息化、自动化、智能化，从原来较为单一的数据采集、统计功能，进化升级得到了实时精确的内燃机性能数据采集系统，为内燃机的性能指标分析提供了进行数据分析和挖掘的平台。

1 内燃机参数采集系统的发展历程

内燃机数据采集及分析系统设备是在内燃机台架试验中专门用于内燃机的性能测试、技术研究及设计的专用设备。国外对内燃机数据采集及分析系统的研究开发起步较早，从1876年奥托测录绘制得到的第一张内燃机示功图至今[2]，国外已经开发出了很多成熟的内燃机数据采集及分析系统。上世纪80年代，我国从日本的小野公司以及奥地利的AVL公司购买引进了一些内燃机数据采集??系统和燃烧分析设备，这些装置促进了我国对内燃机的燃烧分析与采集系统的研发。虽然国外采集系统及燃烧分析系统的技术研究比较成熟，功能强大，但其价格过于昂贵，对我国技术保密，一旦发生故障，维修困难。因而开发国产的内燃机数据采集与燃烧分析系统是非常必要和迫切的，80年代国内广大的内燃机试验和研发工作者们在消化吸收国外先进的采集系统技术的基础上，努力奋斗，自主创新，加快了国内采集系统的研究与开发，开发出了一些属于我们自己的内燃机数据采集及分析系统。

内燃机数据采集系统在内燃机研发和生产企业中应用十分广泛。传统的内燃机数据采集系统主要依靠人工，使用大量的各类一次仪表、二次仪表进行实时测量，同时需要手工记录每个仪表的测试数据，需要用人工手动的方式控制参数的变化，直到最后曲线的绘制、表格的填写，均以手工方式来完成。导致采集到的数据同步性较差，降低了测试效率与精度，随后的试验数据的处理及存储的工作量大、效率也低。

20世纪50年代计算机的出现及发展，使其在内燃机的数据采集方面得到了应用，促使内燃机的从试验台架采集数据信息，由传统的手工方式转变为了以计算机为主的数据采集系统，同时对采集数据实现了简单处理，降低了人工对繁琐数据的处理及劳动强度、减少了试验数据的误差[3]。但鉴于当时技术的不成熟，存在着采集系统维护难度大，采集到的数据丢包率较高，数据准确度低，成本高、功耗大等缺点。

随着智能化仪器的进步，微电子技术、计算机技术的不断完善与成熟，原来的内燃机数据采集系统已经发生了很大改变。由软件系统和采集仪器、显示仪表相互结合，发展形成了现在的内燃机数据采集系统，拥有良好的性能，比最初的以计算机、检测器构成的内燃机数据采集系统更准确好用。降低了系统的功耗与成本，增强了系统功能，数据的处理能力得到大幅提高，发展得到了综合测试性质的数据采集系统，使内燃机的性能测试、数据采集得到了快速发展。

2 国外发展现状

当前，国外已经发展形成了很多著名品牌，形成了一条成熟完整的产业链。国外目前成熟的内燃机数据采集产品主要有，如表1所示[4]。这些内燃机数据采集系统及设备大多基于计算机系统，快捷高效，准确方便。

针对国外各种内燃机数据采集产品以下分三个方面进行介绍：

2.1 使用功能方面

国外的内燃机数据采集设备主要用于对内燃机性能进行测试和对燃烧特性进行分析，因而也被称为燃烧分析仪。通常其燃烧分析系统以强大的数据采集模块作为硬件基础，并基于WINDOWS组合成简捷的用户界面，系统可以同时计算、显示并记录每个气缸的大量燃烧数据，其专业性强，适合进行科学研究。但其功能较为单一，为全英文界面，软件功能模块的拓展功能较少，不能对其已固化的功能进行改变，为加入自己的软件增加了困难，二次开发的能力差，且由于其价格昂贵，所以国内大部分内燃机研究所和相关院校都难以承担。造成了国内相关单位从国外购买的内燃机数据采集产品在使用过程中数据的测量和分析都只能在原始的设备中运行与调用，不能被调出到其他设备进行使用。

2.2 性能指标方面

国外内燃机数据采集产品的各性能指标也在不断提升，如奥地利AVL公司将A/D采样频率从250KHz提高到了2MHz，曲轴转角的采样分辨率从1deg.CA增加到0.025deg.CA。从单通道采样发展到8，16或32或更多通道的采样，通道数量可以根据需要任意扩展增加。数据的存储容量也不断增大。通过外部硬件电路提供的实时信号，并同时采用PWM技術对外部模拟信号的快速脉冲调制，实现了将内燃机转速的变化而输出轴的角位移，角速度等机械量的相应变化信号转换为电脉冲信号并以数字量输出。使数据的采样方式从异步采样发展为同步采样，减小了异步采样在进行多线程任务时数据的滞后性所带来的最终计算数据的误差。同时也实现了从稳态的内燃机工况数据采集分析发展到对内燃机工况可以进行瞬态数据的实时采集，存储、处理和分析。endprint

2.3 系统构成方面

在内燃机数据采集系统的构成上，国外的产品基本分为两大类：

（1）基于单片机系列的内燃机数据采集与分析系统，如奥地利AVL公司基于摩托罗拉公司的6809和68020 CPU所开发的AL640/650/660及AVL617/620系列内燃机数据采集系统；日本小野公司则使用美国英特尔公司的Z80、51、96系列单片开发了CB366/466/467/566系列的内燃机数据采集系统。

（2）基于计算机系列的内燃机数据采集与分析系统，如AVL公司的AVL617、AVL620和日本小野公司改进升级的新一代产品DS-9100都是基于计算机来进行的开发。在基于计算机的内燃机数据采集产品中，由A/D采样板对内燃机的工况参数进行实时采集。在较为固定的试验场所，如试验车间或者学校实验室采样板卡可以放在计算机中[5]，而在临时的场所进行维修检测时可将采集板卡根据实际需要放在单独的系统中，如基于FPGA和USB转接口的外挂式内燃机数据采集系统。

3 国内发展状况

国内众多科研人员经过多年的研究与开发，研发出了属于我们自己的内燃机数据采集系统，如上海内燃机研究所研发的EAS900系列燃烧分析系统、华中科技大学的HG1208内燃机分析仪、江苏启东公司的DJ-GCGZ-A型过程控制多功能检测仪、总后车船所汽车发动机综合检测仪、湖南湘仪公司的FC2022/FC2020、BFY3000型内燃机数据采集分析仪等，研究人员通过努力使我国的内燃机测试和燃烧分析技术达到了世界较高的水平。

针对国内各种内燃机数据采集产品以下从使用功能、性能指标、系统构成三个方面分别进行介绍：

3.1 使用功能方面

我国在自身内燃机采集系统发展的基础上，对国外燃烧分析仪进行模仿与改进，针对国外产品数据不能被其他设备调用的情况，对AVL公司的AVL657型内燃机数据采集系统成功的进行了二次开发，使用计算机的FORTRAN Ⅳ程序破解了在其PDP11 / 23PLUS配置中AVL SAT格式的文件数据，成功地在其他设备中实现了调用。针对国外老化的设备难以维修，有时甚至无法维修，无法进行升级换代的情况，国内的研发者将AVL657型内燃机数据采集系统中的PDP11 / 23PLUS和VT100终端系统由普通的486机代替，以及对AVL657的原装软件进行自编程，实现了原有功能移植到普通PC机上，结合上述对其数据在其他设备调用的开发，得到了AVL657 / 656的实用程序升级包。国内使用AVL657 / 656的多家单位均采用了此技术。在此基础上，国内研发者对内燃机数据采集与分析系统进行了开发，研发出了适合我国国情的内燃机数据采集系统，如启东的DJ-GCGZ-A型采集仪，以PC机为操作平台，对采集到的数据可以转换保存为多种数据格式，方便了在其他设备中的调用，并在国内进行了此产品的技术转让。

3.2 性能指标方面

当前国内开发的内燃机数据采集系统A/D采样频率的范围是从100KHz到1MHz，曲轴转角的采样分辨率精度为1deg.CA到0.1deg.CA，采样通道数量为4～8。因此，无论是A/D采样频率，还是曲轴转角的采样精度跟国外的产品还无法相比，如湘仪公司的BFY3000型内燃机气缸压力测量仪，基于CAN总线技术使A/D采样频率提高到1MHz，曲轴转角的采样精度为0.18deg.CA，且为单通道采集，目前在国内只能在一般情况下使用，但内燃机的工作过程复杂多变，其性能还远远不够，而且基本上进行的是内燃机稳态试验研究，测量结果仅有一定的参考价值，研究价值与国外相比还相对较低，因而与国外先进的内燃机数据采集仪器相比依然有一定的差距。

3.3 系统构成方面

国内内燃机数据采集系统的构成类型与国外类似，同样可分为两类：

（1）基于单片机系列的内燃机数据采集与分析系统，国内大部分研发单位采用英特尔公司的MCS-31、51等系列的8位单片机和少量的16位MCS-96系列单片机进行采集系统的开发，将传感器采集到的信号经电荷放大器放大以后通过滤波器滤除干扰信号，然后由A/D转换器进行转换并将转换后的信号送入单片机，再由单片机对此数据信号进行分析与计算处理，最终通过外部設备进行显示。

（2）基于计算机与采集板卡系列的内燃机数据采集与分析系统，如湘仪公司的FC2020/2022发动机数据采集仪，其采集过程与基于单片机的内燃机数据采集系统类似，不同的是其对数据的采集是通过采集板卡来完成（如基于PCI/ISA总线技术），对数据的计算处理与分析则是通过计算机来完成的[6]。

4 结束语

相比之下，国外的内燃机数据采集与分析系统更加系统化与商业化，如奥地利AVL公司的AVL-BOOST/CRUISE/EXCITE/FIRE等系列产品，德国FEV公司的FEVIS、FEV-TCM/CAS等系列产品。AVL617/620、FEV-IS/CAS等产品实现了对内燃机工况的数据采集，而且数据的精度与时效性得到了很大提升。如今的AVL-BOOST/FIRE等产品又实现了对内燃机工况的模拟，更便于研发人员进行内燃机旧机型的升级改造与新型内燃机的研发。而国内的内燃机数据采集与分析产品则在数据采集的精准度、快速性、数据分析与处理功能的全面性，使用的便捷性、可靠性等方面与国外存在一定的差距。而这些正是国内目前在开发内燃机数据采集与分析系统过程中的技术难点。

随着微电子技术、计算机科学与技术、测量与控制技术、数字通信技术等各类工业新技术的发展。各种智能化、自动化的采集软件与设备快速发展、应运而生。我国可以抓住科技快速发展的时代机遇，根据我们自己的需要与实际情况，大量引进国外先进的设备，消化吸收国外先进的硬件和软件技术，不断研发符合我国国情的新一代内燃机数据采集与分析系统， 不仅要能实现对内燃机参数实时与准确的采集，同时也应实现对内燃机工况的模拟，并对内燃机的工作过程进行有效的控制，以满足我国的科学研究和生产需求，并努力开拓与占领国际市场。

目前国外已经开始基于数字信号处理器芯片来进行内燃机数据采集系统的研究与开发，并得到了初步的商业化产品，如搭载AD210X系列数字信号处理器芯片的升级版AVL617。而国内目前对内燃机采集系统及设备的研发还没有成功得到使用DSP芯片的商业化数据采集与分析系统，DSP芯片价格适中，二次开发能力强，符合我国国情。不仅对于国外，对我国这也将是一个很好的研究与开发方向。

参考文献：

[1]朱剑明，彭代勇.世界能源现状与内燃机的发展机遇[J].内燃机工程，2011，32（02）.

[2]刘一鸣.内燃机台架试验控制系统及燃烧分析系统的设计与应用[D].华中科技大学，2013：80-84.

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

[4]李敏秋.船用柴油机示功图数据采集与燃烧分析系统的研究[D]. 大连海事大学，2011.

[5]夏扬.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]陈丽萍，李岑.数据采集系统的发展与研究[J].电脑知识与技术，2015，11（17）：4-6.

天津科委一般项目，项目号：15JCYBJC21300；科委特派员项目，项目号：16JCTPJC53500。

作者简介：张德福（1970-），男，博士，副教授。endprint