技术领域
[0001] 本
发明涉及一种测量多缸
发动机气门型线差异的装置及方法。特别是涉及一种既可以在转速、升程和
相位均稳定时各气门型线静态差异测量，又可以在转速、升程和相位变化时各气门型线变化历程动态差异测量的测量全可变气门机构各气门型线差异的装置及方法。
背景技术
[0002] 传统发动机
配气机构的气门运行参数，如气门开启关闭时刻、气门开启的持续时间是固定不变的，参数的确定取决于设计工况点。若设计工况点选择在高速大负荷，则不能满足低速小负荷的要求，因此传统配气机构难以满足发动机在全工况内气门参数优化配置的要求，影响发动机性能的进一步提高。
[0003] 随着“高效、低能耗、低排放”要求的不断提高，气门运行参数需要随着发动机工况的改变而动态调整，从而在全工况内优化发动机的换气过程。另外，可控自燃(CAI)这种新概念燃烧方式在节能减排方面体现了巨大的潜
力，而采用基于全可变气门机构的负
气门重叠角(NVO)策略，被认为是一种实现CAI的最为可行的方案之一。因此，全可变气门技术，即气门的开启、关闭时刻以及升程均可调节的技术，受到了人们日益广泛的重视。
[0004] 然而，对于多缸发动机，在应用全可变气门技术时，会遇到两个重要问题：1.各缸气门型线的静态差异：即由于制造和安装误差，发动机各
气缸的气门型线不能完全相同，存在相互差异；2.气门参数的调节过程的动态差异：由于气门参数的调节过程需要时间，气门参数的动态调整过程中，各缸的气门型线调节路径也不能保证完全相同。
[0005] 气门的升程和相位会对发动机的换气过程以及压缩过程产生影响，在发动机稳态工况下，特别是对于可控自燃(CAI)燃烧模式，气门型线的不同将造成进气量、有效压缩比以及各缸进气回流的不同，加剧多缸机中固有的各缸之间的相互耦合影响，使得整体燃烧状态恶化。在发动机的工况切换的瞬态工况下，由于气门参数需随着工况的变化而进行实时调整，可变气门相位和升程机构的切换工程难以瞬间完成的，因此各气门的参数调节路径必然存在不一致性。
[0006] 由于发动机的转速较高，每个工作循环所用时间在毫秒级，所以对于切换过程，各缸的气门型线的变化历程的不同会更加显著，这种动态差异将影响工况切换过程中各缸的协同工作，影响整机性能。如伯明翰大学的Jacek Misztal等人在“Cylinder-to-Cylinder Variations in a V6 Gasoline Direct Injection HCCI Engine”一文中提到，多缸机的HCCI(CAI)燃烧模式存在明显的各缸的工作不一致性，进气过程的充气效率会影响有效压缩比，进而对各缸的工作一致性产生影响，而气门型线的差异会对进气过程产生明显影响。综上所述，多缸发动机各气门型线静态和动态差异的测量和评价，对于加工制造和发动机燃烧过程控制过程具有重要意义。
[0007] 目前，对于多缸发动机的气门型线差异的测试台架，还鲜有相关的文献或
专利发表。上海
汽车集团股份有限公司技术中心的武涛等人，于2010年在《连续可变升程气门机构的试验研究》一文中，介绍了一款气门型线测试台架。但是，该台架针对的仅是可变升程机构，另外，并没有涉及多缸多气门的型线差异对比，更没有提出多缸发动机气门的动态差异的概念和评价测试方法，以及通过工控机管理
软件进行测试过程管理的方法。在
申请号为201010281223.1的名为《发动机
气门升程的万向检测装置》的专利中，提出了一种气门型线的测试装置，但是，该装置同样没有涉及多缸发动机差异的测量方法。
[0008] 综上所述，多缸发动机的各缸气门型线的差异是在
内燃机燃烧控制，特别是在可控自燃(CAI)这种新概念燃烧模式控制中出现的新问题。各气门静态和动态差异的测量和评价对于多缸发动机全可变气门机构的设计加工，以及相应的燃烧控制策略的开发具有重要的参考价值。
发明内容
[0009] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现对多发动机的气门型线的自动测量并完成各缸气门型线的静态和动态差异对比的测量全可变气门机构各气门型线差异的装置及方法
[0010] 本发明所采用的技术方案是：一种测量全可变气门机构各气门型线差异的装置及方法，测量全可变气门机构各气门型线差异的装置，包括有安装
支架，所述的安装支架的
台面上设置与油箱、油
泵和
润滑油管相连的配有全可变气门机构的发动机缸盖，所述安装支架台面的下方设置有与所述的发动机缸盖上的多个气门相连的气门型线测试机构、变频机构、控制单元以及光电
编码器，所述的气门型线测试机构还与控制单元相连，所述的变频机构的输入端连接控制单元，而输出端通过正时皮带或链条连接发动机缸盖上的
凸轮轴，所述的光电编码器设置在变频机构的输出端。
[0011] 所述的控制单元包括有
单片机和工控机，所述的单片机的输入端连接气门型线测试机构的
信号输出端和全可变气门机构，输出端分别连接工控机的信号输入端，以及连接发动机缸盖上的全可变气门机构，所述的工控机的信号输出端连接变频机构。
[0012] 所述的变频机构包括有变频调速
电机和
变频器，所述的变频器的输入端连接工控机的信号输出端，变频器的输出端连接变频调速电机的输入端，变频器的
输出轴上设置光电编码器以及通过正时皮带或链条连接发动机缸盖上的
凸轮轴。
[0013] 所述的气门型线测试机构设置在安装支架下部的滑动
导轨、滑动的安装在滑动导轨上的
传感器支架和设置在传感器支架上的升程传感器，所述的升程传感器上设置有用于与待测试气门相连的快速接头公头/母头，所述的待测试气门上与所述的快速接头公头/母头相对应的设置有快速接头母头/公头。
[0014] 用于测量全可变气门机构各气门型线差异的装置的方法，包括如下步骤：
[0015] 1)进行初始设定；
[0016] 2)判断是稳态模式还是瞬态模式，稳态模式进入稳态模式控制步骤，瞬态模式进入瞬态模式控制步骤；
[0017] 3)判断当前的测试次数是否已经达到了设定的测试循环次数，达到测试次数则，执行下一步骤，没有达到测试次数则返回步骤2。
[0018] 4)画出稳态模式下各气门最大升程、开启持续期、型线对比图或瞬态调节过程的各气门开启/关闭时刻、最大升程、开启持续期的对比图。
[0019] 所述的稳态模式控制步骤包括如下步骤：
[0020] 1)转速、气门相位及升程调整路径查脉谱表，获取当前应该执行的
发动机转速和气门的升程与相位参数，该脉谱表实验前在程序中写入；
[0021] 2)工控机向单片机及变频器发送转速、气门相位及升程指令，并进入气门升程、相位调节，以及气门型线和气门型线特征参数测量；
[0022] 3)判断气门升程、相位是否已经完成调节，是稳定状态进入下一步骤，不是稳定状态，则继续持续进行状态查询；
[0023] 4)工控机实时接收控制单元发送的气门升程、相位、光电编码器微齿编号、气门开启持续期、最大升程信息；
[0024] 5)实时保存气门升程和微齿编号；
[0025] 6)实时保存气门开启/关闭时刻、气门开启持续期、最大升程；
[0026] 7)测试次数加1。
[0027] 所述的瞬态模式控制步骤包括如下步骤：
[0028] 1)转速及气门相位及升程调整路径查脉谱表，该脉谱表实验前在程序中写入，表示的是电机的转速变化和气门参数的调整过程；
[0029] 2)工控机向控制单元及变频器发送转速、气门相位及升程指令，并进入气门升程、相位调节，以及气门型线和气门型线特征参数测量；
[0030] 3)工控机实时接收控制单元发送的气门升程、相位、光电编码器微齿编号、气门开启持续期、最大升程信息；
[0031] 4)实时保存气门升程和微齿编号；
[0032] 5)实时保存气门开启/关闭时刻、气门开启最大升程、气门开启持续期；
[0033] 6)测试次数加1。
[0034] 所述的气门型线和气门型线特征参数测量包括如下步骤：
[0035] 1)在单片机中的CC2模
块，选择一个通道，配置为可被外部信号的上升或下降沿触发的工作模式，当光电编码器脉冲信号经过调理
电路处理后，被CC2模块的输入引脚采集，并沿触发中断服务，同时编码器微齿编号加1；
[0036] 2)在中断服务程序中使能AD转换模块，通过配置PEC模块，实现从AD结果寄存器自动向RAM中进行数据传输，完成升程传感器
电压的采集过程，通过滤波处理得到升程传感器电压值；
[0037] 3)根据升程传感器升程与电压的关系脉谱表，查询当前气门升程，判断当前气门升程是否大于气门开启的判断
阈值A并且前一点升程小于判断阈值A，是执行步骤5，不是则执行步骤6；
[0038] 4)记录下当前微齿编号，为方便记忆，定义为变量：MicroTooth_Num_Start；
[0039] 5)判断当前气门升程是否大于最大升程临时值LiftMax_Tempt，是执行步骤7，不是则执行步骤8；
[0040] 6)表征气门升程临时最大值的变量定义为LiftMax_Tempt，赋值为当前升程；
[0041] 7)判断当前气门升程是否小于气门关闭的判断阈值B，并且前一点气门升程大于B，是执行步骤8，不是则返回1；
[0042] 8)此时的微齿编号减去MicroTooth_Num_Start，乘以一个微齿代表的
曲轴转角，得到气门开启持续期；
[0043] 9)发送本循环的气门最大升程和气门开启持续期，LiftMax_Tempt清零，通过通讯模块发送当前气门升程、微齿编号、气门最大升程和持续期；
[0044] 10)判断是否接收到测试结束指令，是返回主控制程序，不是则返回步骤1。
[0045] 本发明的测量全可变气门机构各气门型线差异的装置及方法，在测试台架上，通过变频电机模拟曲轴拖动发动机缸盖，采用升程传感器和气门的快速接头，以及升程传感器与测试台架的滑动导轨连接方案，实现升程传感器与不同气门之间的快速连接切换。通过单片机进行全可变气门机构的控制并采集气门升程传感器信号，利用工控机上的管理程序，实现对变频电机和全可变气门机构的运行管理，最终得到在稳态和瞬态工况下的各缸气门型线静态差异和动态差异曲线，为多缸机发动机全可变气门机构的差异检测和相应燃烧控制策略的开发提供重要支持。
附图说明
[0046] 图1是本发明装置的整体结构示意图；
[0047] 图2是本发明气门型线测试机构的结构示意图；
[0049] 图4是图3的子流程图；
[0050] 图5是本发明的稳态模式气门型线静态差异对比图
[0051] a是气门型线对比图；b是气门最大升程对比图；c是气门开启持续期对比图；
[0052] 图6是本发明的瞬态模式气门型线动态差异对比图
[0053] a是气门开启关闭时刻对比图；b是气门最大升程对比图；c是气门开启持续期对比图。
[0054] 其中：
[0055] 1：安装支架 2：发动机缸盖
[0056] 3：油箱 4：气门型线测试机构
[0057] 4-1：快速接头母头/公头 4-2：快速接头公头/母头[0058] 4-3：升程传感器 4-4传感器支架
[0059] 4-5：滑动导轨 5：正时皮带
[0060] 6：控制单元 6-1：单片机
[0061] 6-2：工控机 7：光电编码器
[0062] 8：变频机构 8-1：变频调速电机
[0063] 8-2：变频器 9：气门
具体实施方式
[0064] 下面结合
实施例和附图对本发明的测量全可变气门机构各气门型线差异的装置及方法做出详细说明。
[0065] 为实现对气门升程的直接测量，本发明的测量全可变气门机构各气门型线差异的装置将发动机缸盖固定在测试台架上，通过电机拖动模拟曲轴旋转，利用
接触式位移传感器对气门的升程进行测量，为了方便位移传感器与气门的快速连接以及在不同气门之间的快速切换，本发明采用了以快速接头和滑动导轨方案为特点的快速连接和切换装置。采用单片机采集升程传感器信号并通过通信模块直接将升程发送到工控机，工控机的监控管理软件对变频电机和全可变气门机构的运行进行管理，最后测量计算得到在稳态模式和瞬态模式下的气门型线的静态和动态差异曲线，得到多缸发动机各气门型线的静态和动态差异。
[0066] 如图1所示，本发明的测量全可变气门机构各气门型线差异的装置，包括有安装支架1，所述的安装支架1的台面上设置与油箱、油泵和润滑油管3相连的配有全可变气门机构的发动机缸盖2，所述安装支架1台面的下方设置有与所述的发动机缸盖2上的多个气门9相连的气门型线测试机构4、变频机构8、控制单元6以及光电编码器7，所述的气门型线测试机构4还与控制单元6相连，所述的变频机构8的输入端连接控制单元6，而输出端通过正时皮带或链条5连接发动机缸盖2上的凸轮轴，所述的光电编码器7设置在变频机构8的输出端。气门型线测试机构安装支架需要根据发动机缸盖、变频电机的实际尺寸和布置确定，设计方法材料选择为本领域技术人员所熟知的方法。配有全可变气门机构的发动机缸盖，发动机缸盖润滑油路，模拟发动机曲轴的变频调速电机及变频器，都是已有实物或产品，根据需要测试的缸盖的转速和
扭矩，对变频电机的功率选型，并按照发动机缸盖的润滑规则，布置相应的润滑油路，是该技术为本领域的技术人员所熟知。另外，变频电机上需安装车用发动机曲轴码盘，以60-2齿的码盘为最常见，缸盖上需要配置相应的全可变气门机构的传感器和执行器，用于全可变气门机构控制的信号的执行和气门相位和升程的反馈，该方法是全比可变气门机构的控制系统所必须，为本领域技术人员所熟知。
[0067] 所述的控制单元6包括有单片机6-1和工控机6-2，所述的单片机6-1的输入端连接气门型线测试机构4的信号输出端和全可变气门机构，输出端分别连接工控机6-2的信号输入端，以及连接发动机缸盖2上的全可变气门机构，所述的工控机6-2的信号输出端连接变频机构8。
[0068] 所述的变频机构8包括有变频调速电机8-1和变频器8-2，所述的变频器8-2的输入端连接工控机6-2的信号输出端，变频器8-2的输出端连接变频调速电机8-1的输入端，变频器8-1的输出轴上设置光电编码器7以及通过正时皮带或链条5连接发动机缸盖2上的凸轮轴。
[0069] 如图2所示，所述的气门型线测试机构4设置在安装支架1下部的滑动导轨4-5、滑动的安装在滑动导轨4-5上的传感器支架4-4和设置在传感器支架4-4上的升程传感器4-3，所述的升程传感器4-3上设置有用于与待测试气门9相连的快速接头公头/母头4-2，所述的待测试气门9上与所述的快速接头公头/母头4-2相对应的设置有快速接头母头/公头4-1。
[0070] 气门与升程传感器之间可以快速连接和脱离连接；对于安装升程传感器支架的滑动导轨：气门升程传感器支架可在滑动导轨上滑动，可以实现气门与升程传感器之间的快速对正，对于滑动导轨和快速接头为机械领域的常用连接方案，为本领域技术人员熟知。通过采用该连接方案，可以减小所需要的升程传感器数目，降低成本并减小不同升程传感器之间的差异给气门型线测量带来的干扰，另外，采用快速接头和高
精度滑动导轨方案可以提高连接速度以及测量精度。
[0071] 所述的单片机，通过光电编码器(常见的如每圈1000齿或720齿等，为发动机领域常用传感器)触发单片机对经过信号调理的升程传感器信号进行采集，经过处理计算，通过通信模块实时将气门的升程数值发送到工控机。本发明的单片机选型可以使多种，以英飞凌公司的XC164系列单片机为例，但不局限于此款单片机。
[0072] 控制单元一方面完成对全可变气门机构的控制功能，一方面接收工控机的管理软件发送的升程和相位调整指令，并反馈当前的实际相位和理论升程以及升程传感器测量的实际升程。通信方式可采用CAN通信或串口通信，具体通信协议可以根据相应的规则制定，该功能的实现方案为本领域技术人员所熟知。
[0073] 工控机上的管理软件可用Visual Basic或Visual C++或matlab等软件实现，一方面与全可变气门机构
控制器通信，发送气门升程和相位设定值指令，同时获取气门升程和相位实际值的反馈，一方面与变频器通信，按照变频器厂家规定的通信协议对电机的转速进行设定，以上通信技术也为本领域技术人员所熟知。
[0074] 所述的各气门型线差异测量方法有两种测量模式：A.发动机转速、气门升程与相位三个变量均保持不变的稳态测量模式；B.发动机转速、气门升程与相位三个变量中至少有一个变化的瞬态测量模式。
[0075] 由于设计和加工误差，各缸的气门型线不可能完全一致，各气门的最大升程以及气门开启的持续期均会有所差别。在发动机稳态工况下，气门的升程和相位会对发动机的换气过程以及压缩过程产生影响。各个气缸的气门型线的差异会造成各个气缸的进气量和有效压缩比的不同。特别对于可控自燃(CAI)燃烧模式，进气量和有效压缩比的差异以及由于气门开启关闭时刻差异造成的进气回流现象，会造成各缸的燃烧状态的明显差异，进一步加剧多缸机中固有的各缸之间的相互耦合影响，使得整体燃烧状态恶化。在发动机的工况切换的瞬态模式下，气门参数需要随着工况的变化而进行实时调整。可变气门相位和升程机构的切换工程难以瞬间完成的，因此各气门的参数调节路径必然存在差异。由于发动机的转速高，每个工作循环所用时间短，所以切换过程中每个循环，各缸的气门型线的变化历程的动态差异会更加明显，这种动态差异将影响工况切换过程中各缸间的差异，对整机性能产生很大影响。
[0076] 因此，对各气门型线在稳态工况下的静态差异和瞬态工况下的动态差异的测试和评价，对于全可变气门机构的设计制造以及相应的燃烧补偿策略的开发具有重要意义。
[0077] 如图3所示，本发明的用于测量全可变气门机构各气门型线差异的装置的方法，包括如下步骤：
[0078] 1)进行初始设定，包括气门升程、相位、发动机转速、气门参数调节路径；
[0079] 2)判断是稳态模式还是瞬态模式，稳态模式进入稳态模式控制步骤，瞬态模式进入瞬态模式控制步骤；
[0080] 所述的稳态模式控制步骤包括如下步骤：
[0081] (1)转速、气门相位及升程调整路径查脉谱表，获取当前应该执行的发动机转速和气门的升程与相位参数，该map(脉谱)表实验前在程序中写入；
[0082] (2)工控机向单片机及变频器发送转速、气门相位及升程指令，并进入气门升程、相位调节，以及气门型线和气门型线特征参数测量；
[0083] (3)判断气门升程、相位是否已经完成调节，是稳定状态进入下一步骤，不是稳定状态，则继续持续进行状态查询；
[0084] (4)工控机实时接收控制单元发送的气门升程、相位、光电编码器微齿编号、气门开启持续期、最大升程信息；
[0085] (5)实时保存气门升程和微齿编号；
[0086] (6)实时保存气门开启/关闭时刻、气门开启持续期、最大升程；
[0087] (7)测试次数加1；
[0088] 所述的瞬态模式控制步骤包括如下步骤：
[0089] (1)转速及气门相位及升程调整路径查脉谱表，该map(脉谱)表实验前在程序中写入，表示的是电机的转速变化和气门参数的调整过程；
[0090] (2)工控机向控制单元及变频器发送转速、气门相位及升程指令，并进入气门升程、相位调节，以及气门型线和气门型线特征参数测量；
[0091] (3)工控机实时接收控制单元发送的气门升程、光电编码器微齿编号、气门开启持续期、
[0092] 最大升程信息；
[0093] (4)实时保存气门升程曲线；
[0094] (5)实时保存气门开启/关闭时刻、开启最大升程、气门开启持续期；
[0095] (6)测试次数加1；
[0096] 3)判断当前的测试次数是否已经达到了设定的测试循环次数，达到测试次数则，执行下一步骤，没有达到测试次数则返回步骤2
[0097] 4)画出稳态模式下各气门最大升程、开启持续期、型线对比图或瞬态调节过程的各气门开启/关闭时刻、最大升程、开启持续期的对比图。
[0098] 如图4所示，在稳态模式步骤和瞬态模式步骤中所述的气门型线和气门型线特征参数测量包括如下步骤：
[0099] (1)在XC164单片机中的CC2模块，选择一个channel(通道)，配置为可被外部信号的上升或下降沿触发的工作模式，当光电编码器脉冲信号经过调理电路处理后，被CC2模块的输入引脚采集，并沿触发中断服务，同时编码器微齿编号加1；
[0100] (2)在中断服务程序中使能AD转换模块，通过配置PEC模块，实现从AD结果寄存器自动向RAM中进行数据传输，完成升程传感器电压的采集过程，通过滤波处理得到升程传感器电压值；
[0101] (3)根据升程传感器升程与电压的关系脉谱表，查询当前气门升程，判断当前气门升程是否大于气门开启的判断阈值A(可以采用0.2mm的经验值为阈值)并且前一点升程小于判断阈值A，是执行步骤5，不是则执行步骤6；
[0102] (4)记录下当前微齿编号，为方便记忆，可以定义为变量：MicroTooth_Num_Start，所谓微齿编号，即光电编码器的齿数计数器的计数值，微齿编号初始值为0，每次微齿信号上升沿/下降沿进入则编号+1，每个发动机工作循环的起始时计数器清零；
[0103] (5)判断当前气门升程是否大于最大升程临时值，可以定义为变量：LiftMax_Tempt，是执行步骤7，不是则执行步骤8；
[0104] (6)表征气门升程临时最大值的变量(可以定义为LiftMax_Tempt)赋值为当前升程；
[0105] (7)判断当前气门升程是否小于气门关闭的判断阈值B，并且前一点气门升程大于B，是执行步骤8，不是则返回1；
[0106] (8)此时的微齿编号减去MicroTooth_Num_Start，乘以一个微齿代表的
曲轴转角(1000齿/圈的光电编码器一个齿的曲轴转角为360/1000°CA)，得到气门开启持续期；
[0107] (9)发送本循环的气门最大升程和气门开启持续期，LiftMax_Tempt清零，通过通讯模块(以CAN模块为例)发送当前气门升程、微齿编号、气门最大升程和持续期。通信波特率、ID、通信协议需要与工控机的管理软件协调，为本领域技术人员所熟知；
[0108] (10)判断是否接收到测试结束指令，是返回主控制程序，不是则返回步骤1。
[0109] 如图5所示，是稳态测试工况下，多次测量平均后的各个气门的升程曲轴转角变化曲线、气门型线特征参数(气门最大升程、气门开启持续期)的对比曲线：(其中粗线是气门1，细线是气门2，虚线是气门n)a图横轴为曲轴转角/°CA，纵轴为气门在各曲轴转角下的升程，该图表示的是各个气门的升程随曲轴转角变化规律的差异；b图横轴为气门编号，纵轴为气门开启最大升程，该图表征的是不同气门的最大升程差异；c图横轴为气门编号，纵轴为气门开启最大升程，该图表征的是不同气门的开启持续期的差异。
[0110] 如图6所示，是瞬态工况下的各个气门的型线、气门型线特征参数(气门开启/关闭时刻、气门最大升程、气门开启持续期)在整个调节过程中每个循环的对比曲线。(其中Δ是气门1，○是气门2，□是气门n)a图横轴为循环编号，纵轴为气门开启或关闭
位置(单位为曲轴转角)，该图表示的是各个气门在调节过程中，气门开启和关闭时刻变化历程的差异；b图横轴为循环编号，纵轴为气门每个循环内的最大升程，该图表示的是各个气门在调节过程中，最大升程变化历程的差异；c图横轴为循环编号，纵轴为气门每个循环内的开启持续期，该图表示的是各个气门在调节过程中，开启持续期的变化历程的差异。以上通过软件进行自动绘图功能的实现，为本技术领域技术人员所熟知。
